Κβαντική Τηλεμεταφορά – Γεγονός ή Φαντασία;

Χρήση Οπτικού Ινών για την Κβαντική Τηλεμεταφορά

Global digital communication relies on the quick and efficient transfer of data at the speed of light through a complex network of optical fibers. This is acceptable for classical computing, which uses binary strings of 0 and 1.

Ωστόσο, καθώς η κβαντική υπολογιστική πλησιάζει όλο και περισσότερο στο να γίνει ένα ευρέως χρησιμοποιούμενο εργαλείο για κρυπτογράφηση, επιστημονική έρευνα και άλλες εφαρμογές, προκύπτει το ερώτημα πώς να μεταφερθούν κβαντικά δεδομένα από έναν κβαντικό υπολογιστή σε έναν άλλο.

Για μεγάλο χρονικό διάστημα, θεωρούνταν σχεδόν αδύνατο. Κάθε κβαντικός υπολογιστής προοριζόταν να λειτουργεί απομονωμένα από τους άλλους, περιορίζοντας το δυναμικό τους.

Αυτό γίνεται γρήγορα ένα σημαντικό πρόβλημα που πρέπει να λυθεί για τη βιομηχανία τεχνολογίας, ειδικά καθώς νέα κλιμακώσιμα σχέδια κβαντικών τσιπ μόλις αποκαλύφθηκαν.

Έτσι, αυτό αποτελεί ένα σημαντικό βήμα που οι ερευνητές του Northwestern University, της Ciena Corporation (CIEN ) και της NuCrypt LCC έχουν ανακαλύψει: η κβαντική κατάσταση μπορεί να διατηρηθεί και να μεταφερθεί σε οπτικό ίνα παράλληλα με ένα «κανονικό» ρεύμα δεδομένων.

They published their results in Optica, titled “Κβαντική τηλεμεταφορά που συνυπάρχει με κλασικές επικοινωνίες σε οπτικό ίνα¹”.

Κβαντική Τηλεμεταφορά

Παρόλο που ακούγεται σαν κάποιο φανταστικό概念 από ταινία επιστημονικής φαντασίας, η κβαντική τηλεμεταφορά είναι στην πραγματικότητα ένα πραγματικό φαινόμενο που μελετάται εδώ και δεκαετίες.

Αυτό συμβαίνει όταν δύο διαφορετικά σωματίδια «ζευγαρώνονται/συνδέονται» μεταξύ τους, κάτι που ονομάζεται κβαντική διεμπλοκή.

Σε αυτή την περίπτωση, όταν δύο σωματίδια είναι συνδεδεμένα, ανεξάρτητα από την απόσταση μεταξύ τους, ανταλλάσσουν πληροφορίες σε μεγάλες αποστάσεις — χωρίς να τις μεταφέρουν φυσικά. Σε ορισμένες περιπτώσεις, μπορεί ακόμη να είναι δυνατόν η ανταλλαγή πληροφοριών να συμβαίνει ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός, κάτι θεωρητικά αδύνατο.

Το πώς λειτουργεί και τι σημαίνει για το θεμελιώδες κομμάτι της πραγματικότητάς μας εξακολουθεί να αποτελεί ζεστό θέμα συζήτησης μεταξύ κβαντικών φυσικών. Ωστόσο, γνωρίζουμε ότι πρόκειται για ένα πολύ πραγματικό και μετρήσιμο κβαντικό φαινόμενο, το οποίο θα μπορούσε να επιτρέψει απόλυτα ασφαλείς και άμεσες επικοινωνίες.

Ριζικά Διαφορετικές Επικοινωνίες

Μια Βελόνα σε Κινούμενο Άχυρο

Μέχρι τώρα, υποτεθεί ότι καμία κβαντική κατάσταση δεν μπορούσε να μεταφερθεί μέσω οπτικού ίνας, καθώς κάθε μεμονωμένο διεμπλεγμένο φωτόνιο θα «συγκεντρώνονταν» με τα άλλα δισεκατομμύρια που ταξιδεύουν μαζί του και θα έχανε τη μοναδική του κβαντική κατάσταση.

“Με την εκτέλεση μιας καταστροφικής μέτρησης σε δύο φωτόνια — ένα που μεταφέρει μια κβαντική κατάσταση και ένα διεμπλεγμένο με ένα άλλο φωτόνιο — η κβαντική κατάσταση μεταφέρεται στο υπόλοιπο φωτόνιο, το οποίο μπορεί να βρίσκεται πολύ μακριά.

Το ίδιο το φωτόνιο δεν χρειάζεται να σταλεί σε μεγάλες αποστάσεις, αλλά η κατάσταση του κωδικοποιείται στο απομακρυσμένο φωτόνιο. Η τηλεμεταφορά επιτρέπει την ανταλλαγή πληροφοριών σε μεγάλες αποστάσεις χωρίς να απαιτείται η ίδια η πληροφορία να ταξιδέψει αυτήν την απόσταση.

”

Jordan Thomas – Ph.D. at Northwestern University.

Η βασική ιδέα ήταν να μετρηθεί αν δεν υπήρχε κάποια συγκεκριμένη συνθήκη στο οπτικό ίνα που θα διαταράσσει την κβαντική διεμπλοκή.

Μετά από ενδελεχή μελέτη του πώς διασκορπίζεται το φως μέσα στα οπτικά καλώδια, οι ερευνητές βρήκαν ένα λιγότερο πολυσύχναστο μήκος κύματος φωτός για να τοποθετήσουν τα φωτόνια τους, τα 1290-nm κβαντικά κανάλια. Στη συνέχεια, πρόσθεσαν ειδικά φίλτρα για να μειώσουν το θόρυβο από την κανονική κίνηση του διαδικτύου.

Φυσικά, ενώ αυτό ακούγεται εύκολο, η πραγματική πειραματική ρύθμιση ήταν μακριά από το απλό, με το δημοσιευμένο επιστημονικό άρθρο να μας δίνει μια εικόνα του πόσο πολύπλοκο ήταν όλο το πείραμα:

Πηγή: Optica

Νέες Τηλεπικοινωνίες

Καθώς το οπτικό ίνα μεταφέρει φωτόνια από το σημείο Α στο σημείο Β, ήταν ήδη γνωστό ότι μπορούν να μεταφέρουν μια κβαντική κατάσταση. Αλλά αυτή είναι η πρώτη φορά που αποδείχθηκε ότι αυτό μπορεί να συμβεί ταυτόχρονα με τη μεταφορά μη‑κβαντικών δεδομένων.

Αυτό σημαίνει ότι πραγματοποιείται μια πολύ διαφορετική διαδικασία μεταφοράς πληροφοριών, η οποία βασίζεται σε ένα μόνο φωτόνιο τη φορά αντί για το συνηθισμένο εκατομμύριο φωτόνια.

«Στις οπτικές επικοινωνίες, όλα τα σήματα μετατρέπονται σε φως. Ενώ τα συμβατικά σήματα για κλασικές επικοινωνίες συνήθως αποτελούνται από εκατομμύρια σωματίδια φωτός, η κβαντική πληροφορία χρησιμοποιεί μεμονωμένα φωτόνια.»

Pr Prem Kumar – Διευθυντής του Κέντρου Φωτονικής Επικοινωνίας και Υπολογιστών στο Northwestern University

Από το Αρχικό Πρωτότυπο στις Μεγαλύτερες Φιλοδοξίες

Περισσότερο Οπτικό Ίνα

Η πρώτη δοκιμή πραγματοποιήθηκε σε οπτικό ίνα μήκους 30 km (18,6 μίλια), με υψηλής ταχύτητας κίνηση διαδικτύου να περνάει από αυτήν.

Το επόμενο βήμα για τους ερευνητές θα είναι να πειραματιστούν με πολύ μεγαλύτερες αποστάσεις, για να δουν πόσο μακριά μπορούν να προωθήσουν αυτή τη νέα μέθοδο απομακρυσμένης επικοινωνίας.

Μέχρι στιγμής, αυτό έχει διεξαχθεί μόνο με οπτικό ίνα σε εργαστήριο. Ένα άλλο σύνολο δοκιμών θα πειραματιστεί με πραγματικά υπόγεια οπτικά καλώδια και θα δει πώς λειτουργούν με το υπάρχον παγκόσμιο δίκτυο οπτικών ινών του διαδικτύου.

Επέκταση Κβαντικών Εφαρμογών

Ένα άλλο μέρος της συνεχιζόμενης έρευνας θα είναι η χρήση δύο ζευγών διεμπλεγμένων φωτονίων, αντί ενός ζεύγους. Αυτό θα ελέγξει τι συμβαίνει με ένα άλλο κβαντικό φαινόμενο που ονομάζεται ανταλλαγή διεμπλοκής.

Η ανταλλαγή διεμπλοκής είναι ένα πρωτόκολλο για τη μεταφορά κβαντικής διεμπλοκής από ένα ζεύγος σωματιδίων σε ένα άλλο, ακόμη και αν το δεύτερο ζεύγος σωματιδίων δεν έχει ποτέ αλληλεπιδράσει.

Αυτό αποτελεί ένα σημαντικό επιπλέον εργαλείο για τις μελλοντικές κβαντικές τηλεπικοινωνίες, επειδή θα οδηγήσει σε διανεμημένες κβαντικές εφαρμογές όπως τα κβαντικά δίκτυα. Αυτά τα δίκτυα μπορούν να υποστηρίξουν ασφαλή μεταφορά κβαντικών πληροφοριών σε μεγάλες διαδρομές.

«Η κβαντική τηλεμεταφορά έχει τη δυνατότητα να παρέχει κβαντική συνδεσιμότητα με ασφάλεια μεταξύ γεωγραφικά απομακρυσμένων κόμβων. Αλλά πολλοί άνθρωποι έχουν υποθέσει εδώ και καιρό ότι κανείς δεν θα κατασκευάσει εξειδικευμένη υποδομή για την αποστολή σωματιδίων φωτός.

Αν επιλέξουμε σωστά τα μήκη κύματος, δεν θα χρειαστεί να χτίσουμε νέα υποδομή. Οι κλασικές επικοινωνίες και οι κβαντικές επικοινωνίες μπορούν να συνυπάρξουν.

»

Pr Prem Kumar – Διευθυντής του Κέντρου Φωτονικής Επικοινωνίας και Υπολογιστών στο Northwestern University

Αυτό θα ήταν ένα μεγάλο βήμα στην κβαντική κρυπτογράφηση, καθώς με τη χρήση ανταλλαγής διεμπλοκών μεταξύ ζευγών σωματιδίων, είναι δυνατόν να παραχθούν ασφαλή κλειδιά κρυπτογράφησης που θα πρέπει να είναι προστατευμένα από υποκλοπή.

Ένα άλλο αποτέλεσμα θα ήταν η δυνατότητα ultra‑μακράς απόστασης μεταφοράς κβαντικών καταστάσεων, μέσω μιας μεθόδου που ονομάζεται κβαντικοί επαναλήπτες. Με την τακτική εκτέλεση ανταλλαγής διεμπλοκής, θα μπορούσε να «ανανεώνει» την κβαντική κατάσταση και να αποφεύγει τυχόν απώλεια δεδομένων σε μεγάλες αποστάσεις.

Επένδυση στην Κβαντική Υπολογιστική

Η κβαντική υπολογιστική είναι ακόμη ένας αναδυόμενος τομέας, αλλά οι επενδυτές μπορούν ήδη να έχουν πρόσβαση σε αυτήν μέσω εταιρειών που την αναπτύσσουν.

Μπορείτε να επενδύσετε σε εταιρείες σχετικές με την κβαντική υπολογιστική μέσω πολλών χρηματιστών, και μπορείτε να βρείτε εδώ, στο securities.io, τις προτάσεις μας για τους καλύτερους χρηματιστές στις ΗΠΑ, Καναδά, Αυστραλία, Ηνωμένο Βασίλειο, καθώς και σε πολλές άλλες χώρες.

Αν δεν ενδιαφέρεστε να επιλέξετε συγκεκριμένες εταιρείες κβαντικής υπολογιστικής, μπορείτε επίσης να εξετάσετε τα ETFs κβαντικής υπολογιστικής όπως το Defiance Quantum ETF (QTUM), το οποίο θα προσφέρει πιο διαφοροποιημένη έκθεση για να εκμεταλλευτείτε τη βιομηχανία κβαντικής υπολογιστικής.

Μπορείτε να μάθετε περισσότερα για την κβαντική υπολογιστική στο «The Current State of Quantum Computing » και για τις μεγαλύτερες εταιρείες του κλάδου στο «5 Best Quantum Computing Companies» & «Top 10 Non-Silicon Computing Companies».

Εταιρεία Κβαντικής Υπολογιστικής

1. Alphabet Inc.

Η Google είναι πολύ ενεργή στην κβαντική υπολογιστική, κυρίως μέσω του εργαστηρίου Google Quantum AI και του Quantum AI campus στη Σάντα Μπάρμπαρα.

Ο κβαντικός υπολογιστής της Google έκανε ιστορία το 2019 όταν ισχυρίστηκε ότι πέτυχε «κβαντική υπεροχή» με τη μηχανή Sycamore. Η μηχανή εκτέλεσε έναν υπολογισμό σε 200 δευτερόλεπτα που θα έπαιρνε σε ένα συμβατικό υπερυπολογιστή 10.000 χρόνια.

Αυτό τώρα φαίνεται μικρό σε σύγκριση με την απόδοση του νεότερου τσιπ της, που ονομάζεται Willow. Αυτό είναι το πρώτο κβαντικό τσιπ που έχει τόσο χαμηλό ποσοστό σφάλματος, ώστε όσο περισσότερα qubits προσθέτετε, τόσο λιγότερο σφάλμα προκύπτει. Καθιστά το πρώτο κλιμακώσιμο σχέδιο κβαντικού τσιπ.

Αλλά ίσως η μεγαλύτερη συνεισφορά της Google θα είναι στο λογισμικό, μια δραστηριότητα όπου έχει εντυπωσιακό ιστορικό, στην πραγματικότητα καλύτερο από το υλικό (αναζήτηση, G Suite, Android κ.λπ.).

Ήδη, το Quantum AI της Google προσφέρει μια σουίτα λογισμικού σχεδιασμένη να βοηθήσει τους επιστήμονες στην ανάπτυξη κβαντικών αλγορίθμων.

Επίσης, προωθεί ανοιχτά «ερευνητές, μηχανικούς και προγραμματιστές να ενταχθούν σε αυτό το ταξίδι ελέγχοντας το ανοιχτό λογισμικό και εκπαιδευτικούς πόρους, συμπεριλαμβανομένου του νέου μαθήματος στο Coursera, όπου οι προγραμματιστές μπορούν να μάθουν τα βασικά της κβαντικής διόρθωσης σφαλμάτων και να μας βοηθήσουν να δημιουργήσουμε αλγορίθμους που θα λύσουν τα προβλήματα του μέλλοντος.»

Χάρη σε αυτήν την ανοιχτή προσέγγιση, η Google ηγείται τώρα τόσο στο υλικό όσο και στις λύσεις cloud. Η Google μπορεί να είναι μία από τις εταιρείες που θέτουν τα πρότυπα του λογισμικού κβαντικής υπολογιστικής και του κβαντικού προγραμματισμού, δίνοντάς της μια προνομιακή θέση για να καθοδηγήσει την μελλοντική εξέλιξη του τομέα.

Εν τω μεταξύ, οι λύσεις AI, συμπεριλαμβαμένου του αυτόνομου οχήματος Waymo, μπορεί να γίνουν η νέα πηγή εσόδων για την Alphabet (GOOG ), η οποία εξακολουθεί να κατέχει μια τεράστια κυριαρχική θέση στις βιομηχανίες αναζήτησης & διαφημίσεων.

Μπορείτε να μάθετε περισσότερα για τις μη‑κβαντικές δραστηριότητες της Google, ειδικά διαφημίσεις και AI, στο ειδικό μας αναφορά από τον Δεκέμβριο 2024.

2. Ciena Corporation

Ένας συνεργάτης είναι το ερευνητικό έργο που απέδειξε την κβαντική τηλεμεταφορά σε οπτικό ίνα, Ciena Corporation είναι παγκόσμιος ηγέτης σε οπτικά και δρομολογικά συστήματα, υπηρεσίες και λογισμικό αυτοματοποίησης.

Η Ciena είναι κατά πολύ η μεγαλύτερη εταιρεία εκτός Κίνας στην αγορά οπτικών, ελέγχοντας πάνω από 25 % του αγοράς. Είναι παρούσα σε 70 χώρες.

Πηγή: Ciena Corporation

Η εταιρεία βλέπει τη ζήτηση για εύρος ζώνης να εκτοξεύεται τα επόμενα 4 χρόνια, καθοδηγούμενη από τη ζήτηση από εφαρμογές AI.

Πηγή: Ciena Corporation

Αυτό έχει ωθήσει την εταιρεία να χρησιμοποιήσει τη δυνατή της θέση στα οπτικά δίκτυα για να επεκταθεί σε νέες αγορές σχετικές με την άνθιση του AI, ιδιαίτερα λόγω πολλών εφαρμογών AI που απαιτούν νέα τοπικά δεδομένα κέντρα, λόγω νόμων περί ιδιωτικότητας και διασυνοριακής ροής δεδομένων, καθώς και της εμφάνισης αποσυνδεδεμένων κέντρων δεδομένων, που απαιτούν περισσότερη χωρητικότητα οπτικού δικτύου.

Πηγή: Ciena Corporation

Εάν τα υπάρχοντα δίκτυα οπτικών ινών αποδειχθούν χρήσιμα για τη μετάδοση κβαντικών δεδομένων, αυτό θα μπορούσε να αποδείξει έναν νέο άνθιζον τομέα για τη βιομηχανία οπτικών δικτύων. Αυτό θα έκανε το μέλλον του τομέα ακόμη πιο υποσχόμενο, καθώς η κβαντική υπολογιστική θα μπορούσε να του δώσει τεράστια ώθηση μετά τη ήδη εκρηκτική ζήτηση από τις εφαρμογές AI.

Αναφορά Μελέτης:

^{1. Thomas, J. M., Yeh, F. I., Chen, J. H., Mambretti, J. J., Kohlert, S. J., Kanter, G. S., & Kumar, P. (2024). Κβαντική τηλεμεταφορά που συνυπάρχει με κλασικές επικοινωνίες σε οπτικό ίνα. Optica, 11(12), 1700–1707. https://doi.org/10.1364/OPTICA.11.001700}