Computing
Fremtiden for kvantekommunikation: Enkelt-foton-teleportering forklaret
Hvad er kvante-teleportering, og hvordan fungerer den?
Selvom det lyder som et fantasifuldt koncept fra en science‑fiction‑film, er kvante‑teleportering faktisk et reelt fænomen, der er blevet studeret i årtier.
Dette sker, når to forskellige partikler “parres/bindes” sammen, noget der kaldes kvante‑sammenfiltring.
I dette tilfælde, når to partikler er forbundet, uanset afstanden mellem dem, udveksler de information over store afstande uden fysisk at transportere den. I nogle tilfælde ser det endda ud som om informationsudvekslingen sker hurtigere end lysets hastighed, hvilket teoretisk set er umuligt.
Hvordan det fungerer, og hvad det betyder for den grundlæggende del af vores virkelighed, er stadig hedt diskuteret af kvantefysikere. Men vi ved, at dette er en meget reel og målbar kvanteeffekt, der kan muliggøre fuldstændig sikre og øjeblikkelige kommunikationer.
Den nuværende status for kvante‑teleporteringsteknologi
Gennembrud, der muliggør praktisk kvantedatatransmission
Der er for nylig gjort fremskridt med at udnytte kvante‑sammenfiltring og teleportering til praktiske metoder til dataoverførsel.
Et fremskridt var opdagelsen af, at et almindeligt optisk fibernet kan bruges til opgaven, selv når det blandes med almindelig internettrafik. Dette åbner muligheden for praktisk kvante‑telekommunikation uden at skulle bygge et dedikeret parallelnet til det normale net, der i øjeblikket anvendes.
Et andet fremskridt er muligheden for at netværke kvantecomputere sammen. Oxford-forskere brugte optiske fibre til at forbinde qubits og få dem sammenfiltrede ved hjælp af fotoner (lyspartikler). Det kan bane vejen for modulære kvantecomputere, hvor hver underenhed er forbundet sammen.
Begrænsninger og udfordringer ved kvante‑teleportering
De fleste kvante‑teleporteringsenheder, der i øjeblikket overvejes, er af den “lineære” type, hvor fotonerne overføres direkte fra punkt A til punkt B.
Dette er ofte problematisk, da denne type fotonoverførsel uundgåeligt tilføjer støj til signalet, hvilket potentielt kan få telekommunikationen til at fejle, eller i det mindste gøre den mindre effektiv.
Et andet problem er, at de fleste fotonkilder ikke vil producere et enkelt fotonpar, hvilket gør det komplekst at bestemme sammenfiltring.
Hvordan ikke‑lineær optik kan transformere kvantekommunikation
Et team af forskere ved University of Illinois kan have skabt en ny kilde til fotoner, som radikalt vil forbedre ydeevnen for kommunikation baseret på kvante‑teleportering.
De offentliggjorde deres resultater i Physical Review Letters1, under titlen “Trofast kvante‑teleportering via en nanofotonisk ikke‑lineær Bell‑tilstandsanalyse”.
Den centrale idé er, at denne teknik hjælper med at reducere problemet med flere fotonudsendelser, hvilket gør teknikken mere pålidelig takket være de underliggende principper for ikke‑lineær optik.
Forståelse af ikke‑lineær optik i kvanteteknologi
Lineær optik er den almindelige optik, der undervises i skolen, hvor lyset for eksempel direkte interagerer med et prisme.
I ikke‑lineær optik afhænger mediets reaktion, som lyset passerer igennem, af lysets bølgelængde, intensitet, retning og polarisation.
“Multiphoton‑støj forekommer i alle realistiske sammenfiltringskilder, og det er et alvorligt problem for kvantenetværk.
Appellen ved ikke‑lineær optik er, at den kan afbøde effekten af multiphoton‑støj ved hjælp af den underliggende fysik, hvilket gør det muligt at arbejde med ufuldkomne sammenfiltringskilder.
Ikke‑lineære optiske komponenter får fotoner med forskellige frekvenser til at kombinere og skabe nye fotoner ved nye frekvenser. I dette specifikke tilfælde blev “sum‑frekvens‑generering” (SFG) anvendt.
Kilde: EKSPLA
Fotonfusion via sum‑frekvens‑generering (SFG)
Takket være sammensmeltningen af fotoner, der forekommer under SFG, kan kun disse specifikke fotoners frekvenser anvendes, hvilket kraftigt reducerer støjen fra flere fotoner, som opstår ved brug af lineær optik.
Kilde: SciTechDaily
Dette er ikke en ny idé, men problemet indtil nu har været, at det var så svært at få SFG til at ske, at der aldrig var nok fotoner til at være en praktisk metode til informationsoverførsel.
“Forskere har kendt til dette i lang tid, men det blev ikke fuldt udforsket på grund af den lave sandsynlighed for en vellykket SFG.
I fortiden var den bedste opnåelse 1 ud af 100 millioner. Vores resultat er en stigning på en faktor på 10.000 i konverteringseffektivitet til 1 ud af 10.000 med en nanofotonisk platform.
Nye materialer, der gør ikke‑lineær kvanteoptik mulig
Denne 10.000‑gange forøgelse i effektivitet gør pludselig ikke‑lineær optik til en levedygtig mulighed for at producere de fotoner, der vil blive brugt til at overføre data gennem måling af deres sammenfiltring.
Det blev opnået takket være et indium‑gallium‑fosfor‑materiale, udviklet af forskerne.
“Vores ikke‑lineære system transmitterer kvanteinformation med 94 % troværdighed, sammenlignet med den teoretiske grænse på 33 % for systemer, der bruger lineære optiske komponenter,”
Hvad er næste skridt for kvante‑teleportering og netværk?
Dette er indtil videre en meget teoretisk fremgang, i den forstand at det fuldstændigt ændrer, hvordan forskere i fremtiden skal bygge kvante‑telekommunikationssystemer, da alle nuværende kvantenetværksprotokoller (inklusive kvante‑teleportering og sammenfiltrings‑swap) bruger lineær‑optisk design.
Kombineret med de fremskridt, der er gjort i overførsel af sammenfiltrede fotoner i almindelige optiske fibernetværk, kan dette radikalt ændre pålideligheden og effektiviteten af denne telekommunikationsmetode, og bringe sammenkoblede kvantecomputere meget tættere på, end man tidligere troede var muligt.
Investering i fanget‑ion kvantecomputing
Efterhånden som disse kvantekommunikationsfremskridt bliver mere levedygtige, positionerer virksomheder som IonQ (IONQ ) sig til at kommercialisere teknologien.
IonQ er et kvantecomputingsfirma, der bruger fanget‑ion‑teknologi, grundlagt af banebrydende forskere inden for feltet fra University of Maryland og Duke University. Det blev børsnoteret på NYSE i 2021.
(IONQ )
IonQ’s kvantecomputingplatforme kan producere et resultat med 99,9 % troværdighed. Den bruger i øjeblikket en 64‑barium‑ion‑kæde, der producerer en 36‑algoritmisk qubit (AQ). Kædeorganisationen tillader meget hurtigere beregning end andre fanget‑ion‑designs uden at miste troværdighed.
Kilde: IonQ
IonQ erhvervede Qubitekk i januar 2025, der tilføjer virksomhedens team og 118 patenter til IonQ. Qubitekk’s speciale er i kvantenetværk, ved brug af fotoniske forbindelser, muliggør kvanteklynger og fremmer kvanteinternettets kapaciteter.
Kvantenetværk bør muliggøre højt sikre kommunikationer og i sidste ende tillade distribueret kvantecomputing. I betragtning af hvor hurtigt feltet udvikler sig, kan ekspertise og IP’er på dette område vise sig at være afgørende for IonQ’s fremtid.
IonQ udvikler også et partnerskab med NKT Photonics (NKT.CO) for at hjælpe med at udvikle fremtidige datacenter‑klare kvantecomputere.
Den samarbejder også med Imec om fotoniske integrerede kredsløb og chip‑skala ion‑fælde‑teknologi for at skalere virksomhedens qubit‑antal, systemstørrelse og omkostninger.
I stedet for at udvikle sin egen SDK (Software Development Kit), understøtter virksomheden alle de store på én gang og indgår partnerskaber med mange førende virksomheder for at udvikle nye kvantecomputing‑applikationer.
Kilde: IonQ
Sammen med sin konkurrent Quantinuum, en del af Honeywell (HON ), er IonQ tættere på at udvikle kommercielle kvantecomputere, med fokus på høj troværdighed, lavere qubit‑antal i fanget‑ion‑systemer.
IonQ er den tætteste på en ren kvantecomputing‑aktie for investorer, der er mindre interesserede i aktiviteterne hos andre ledere som Google, Intel, IBM eller Honeywell.
Dens tidlige succes har hjulpet den med at opbygge et stærkt netværk af partnerskaber med andre kvantecomputing‑innovatører for at fortsætte med at drive denne teknologi fremad, med et nyligt fokus på netværkede kvantecomputere.
Efterhånden som kvante‑sammenfiltrings‑telekommunikation bliver mere pålidelig, kan kombinationen af mange høj‑pålidelige fanget‑ion‑kvantecomputere være en solid mulighed for den første kommercielle anvendelse af denne teknologi.
IonQ aktienyheder og seneste udviklinger
Studierreference:
1. Joshua Akin, Yunlei Zhao, Paul G. Kwiat, Elizabeth A. Goldschmidt, and Kejie Fang.(2025) Trofast kvante‑teleportering via en nanofotonisk ikke‑lineær Bell‑tilstandsanalyse. Physical Review Letters134, 160802 https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.160802
