Kvanttiteleportaatio – fakta vai fiktio?

Optisen kuidun käyttö kvanttiteleportaatiossa

Globaali digitaalinen viestintä perustuu nopeaan ja tehokkaaseen datan siirtoon valonnopeudella monimutkaisen optisten kuitujen verkoston kautta. Tämä on riittävää klassisessa laskennassa, jossa käytetään binäärijonoja, 0 ja 1.

Kuitenkin, kun kvanttilaskenta lähestyy yhä enemmän yleisesti käytettyä työkalua salaukseen, tieteelliseen tutkimukseen ja muihin sovelluksiin, nousee kysymys siitä, miten kvanttitiedot siirretään yhdestä kvanttitietokoneesta toiseen.

Pitkään tätä pidettiin lähes mahdottomana. Jokainen kvanttitietokone oli määrätty toimimaan eristyksissä toisistaan, mikä rajoitti niiden potentiaalia.

Tämä on nopeasti nousemassa tärkeäksi ongelmaksi teknologia-alalle, erityisesti kun uudet skaalautuvat kvanttipiirien suunnitelmat ovat juuri julkaistu.

Tämä on tärkeä välivaihe, jonka tutkijat Northwestern Universityssa, Ciena Corporatessa ja NuCrypt LCC:ssä ovat havainneet: kvanttitila voidaan säilyttää ja siirtää optisessa kuidussa yhdessä “normaalin” datavirran kanssa.

He julkaisi tuloksensa Opticassa, otsikkona “Quantum teleportation coexisting with classical communications in optical fiber¹“.

Kvanttiteleportaatio

Vaikka se kuulostaa kuin jotain mielikuvituksellista tieteiskirjallisuuden elokuvasta, kvanttiteleportaatio on itse asiassa todellinen ilmiö, jota on tutkittu vuosikymmeniä.

Tämä tapahtuu, kun kaksi erilaista hiukkasta on “paritettu/kytketty” yhteen, ilmiö nimeltä kvanttihäiriö (quantum entanglement).

Tässä tapauksessa, kun kaksi hiukkasta on yhteydessä, riippumatta niiden välisestä etäisyydestä, ne vaihtavat tietoa suurilla etäisyyksillä — ilman fyysistä kuljetusta. Joissakin tapauksissa voi jopa olla mahdollista, että tiedonvaihto tapahtuu nopeammin kuin valon nopeus, mikä on teoreettisesti mahdotonta.

Miten se toimii ja mitä se merkitsee todellisuutemme perustavanlaatuiselle tasolle, on edelleen kiivasti kiisanalainen kvanttifysiikkojen keskuudessa. Kuitenkin tiedämme, että tämä on erittäin todellinen ja mitattavissa oleva kvanttiefekti, joka voisi mahdollistaa täydellisesti suojatut ja välittömät viestit.

Radikaalisti erilainen viestintä

Neula liikkeessä olevaan heinäsuoppaan

Aiemmin oletettiin, ettei kvanttista tilaa voida siirtää optisen kuidun kautta, koska yksittäinen lomittunut fotoni uppoutuisi muihin miljardeihin sen mukana kulkeviin fotoneihin ja menettäisi ainutlaatuisen kvanttinsa.

“Suorittamalla tuhoava mittaus kahdesta fotonista — toinen kantaa kvanttista tilaa ja toinen on lomittunut toisen fotonin kanssa — kvanttitila siirtyy jäljelle jäävään fotoniin, joka voi olla hyvin kaukana.”

Fotonin ei tarvitse itse kulkea pitkiä matkoja, mutta sen tila koodautuu silti kaukaiseen fotoniin. Teleportaatio mahdollistaa tiedon vaihtamisen suurilla etäisyyksillä ilman, että itse tieto tarvitsee kulkea kyseistä matkaa.

Jordan Thomas – Ph.D. Northwestern Universityssa.

Keskeinen oivallus oli tutkia, onko optisessa kuidussa jokin erityinen ehto, joka ei häiritsisi kvanttihäiriötä.

Syvällisten tutkimusten jälkeen siitä, miten valo hajautuu kuitukaapeleissa, tutkijat löysivät vähemmän ruuhkautuneen aallonpituuden, 1290 nm:n kvanttikanavat, johon he sijoittivat fotoninsa. Sen jälkeen he lisäsivät erikoissuodattimia vähentääkseen tavallisen internet-liikenteen kohinaa.

Tietenkin, vaikka tämä kuulostaa helpolta, itse kokeellinen asennus oli kaikkea muuta kuin yksinkertainen, ja julkaistu tieteellinen artikkeli antaa meille vilauksen siitä, kuinka monimutkainen koko koe todella oli:

Uusi televiestintä

Koska optinen kuitu siirtää fotoneja pisteestä A pisteeseen B, tiedettiin jo, että ne voivat kuljettaa kvanttista tilaa. Mutta tämä on ensimmäinen kerta, kun on osoitettu, että tämä voi tapahtua samanaikaisesti muiden ei-kvanttitietojen kanssa.

Tämä tarkoittaa, että tapahtuu hyvin erilainen tiedonsiirtoprosessi, joka perustuu yhteen fotoniin kerrallaan sen sijaan, että käytettäisiin miljoonia fotoneja.

“Optisessa viestinnässä kaikki signaalit muunnetaan valoksi. Vaikka perinteiset signaalit klassisessa viestinnässä koostuvat yleensä miljoonista valohiukkasista, kvanttitieto käyttää yksittäisiä fotoneja.” – Pr Prem Kumar – Northwestern Universityn Center for Photonic Communication and Computingin johtaja

Alkuperäisestä prototyypistä suurempiin tavoitteisiin

Lisää optista kuitua

Ensimmäinen testi tehtiin 30 km:n (18,6 mailin) pituisella optisella kuidulla, jonka läpi kulki nopeaa internet-liikennettä.

Seuraava askel tutkijoille on kokeilla paljon pidempiä etäisyyksiä, jotta nähdään, kuinka pitkälle he voivat viedä tätä uutta kaukoviestintämenetelmää.

Tähän asti kokeet on tehty vain laboratoriokuituilla. Toinen testisarja tutkii todellisia maanalaisia optisia kaapeleita ja tarkastelee, kuinka hyvin ne toimivat olemassa olevan globaalin internet-optikuidun verkoston kanssa.

Kvanttisovellusten laajentaminen

Toinen osa käynnissä olevaa tutkimusta on käyttää kahta lomittunutta fotoniparia yhden sijaan. Tämä tarkistaisi, mitä tapahtuu toisen kvanttifenominaalin, nimeltään entanglement swapping, yhteydessä.

Entanglement swapping on protokolla, jonka avulla kvanttihäiriö siirretään yhdeltä hiukkasparilta toiselle, vaikka toinen hiukkaspari ei olisi koskaan ollut vuorovaikutuksessa.

Tämä on tärkeä lisätyökalu mahdollisille tuleville kvanttitelevisioille, koska se johtaisi hajautettuihin kvanttisovelluksiin, kuten kvanttiverkkoihin. Nämä verkot voivat mahdollistaa kvanttiedon turvallisen siirron pitkien reittien yli.

“Kvanttiteleportaatio pystyy tarjoamaan kvanttiyhteyden turvallisesti maantieteellisesti kaukaisten solmujen välillä. Mutta monet ovat pitkään olettaneet, ettei kukaan rakennuttaisi erikoistettua infrastruktuuria valohiukkasten lähettämiseen.

Jos valitsemme aallonpituudet oikein, meidän ei tarvitse rakentaa uutta infrastruktuuria. Klassinen viestintä ja kvanttiviestintä voivat elää rinnakkain.

Pr Prem Kumar – Northwestern Universityn Center for Photonic Communication and Computingin johtaja

Tämä olisi suuri askel kvanttivoimaisessa salauksessa, sillä hyödyntämällä parien välistä vaihdettua lomitusta on mahdollista luoda turvallisia salausavaimia, jotka on suojattava vakoilulta.

Toinen vaikutus olisi mahdollistaa erittäin pitkän matkan kvanttistilojen siirto menetelmällä, jota kutsutaan kvanttitoistajiksi (quantum repeaters). Suorittamalla entanglement swapping -toimenpiteen säännöllisesti, kvanttistilaa voitaisiin “päivittää” ja välttää tietojen menetykset pitkillä matkoilla.

Sijoittaminen kvanttilaskentaan

Kvanttilaskenta on edelleen nouseva ala, mutta sijoittajat voivat jo päästä siihen käsiksi yritysten kautta, jotka kehittävät sitä.

Voit sijoittaa kvanttiaiheisiin yrityksiin monien välittäjien kautta, ja löydät täältä, securities.io, suosituksemme parhaista välittäjistä Yhdysvalloissa, Kanadassa, Australiassa, Ison-Britanniassa, sekä monissa muissa maissa.

Jos et halua valita tiettyjä kvanttilaskentayrityksiä, voit myös tarkastella kvanttilaskentaan keskittyviä ETF:iä, kuten Defiance Quantum ETF (QTUM), joka tarjoaa monipuolisemman altistuksen kvanttilaskentateollisuuden hyödyntämiseen.

Voit oppia lisää kvanttilaskennasta “The Current State of Quantum Computing ” ja alan suurimmista yrityksistä “5 Best Quantum Computing Companies” & “Top 10 Non-Silicon Computing Companies“.

Kvanttilaskentayritys

1. Alphabet Inc.

Google on erittäin aktiivinen kvanttilaskennassa, pääasiassa Google Quantum AI -laboratorionsa ja Quantum AI -keskuksensa kautta Santa Barbarassa.

Googlen kvanttitietokone teki historiaa vuonna 2019, kun se väitti saavuttaneensa “kvanttiylivallan” Sycamore-koneellaan. Kone suoritti laskelman 200 sekunnissa, mikä olisi vakiintuneelle supertietokoneelle vienyt 10 000 vuotta.

Tämä on nyt varjossa sen uusimman sirun suorituskyky, nimeltään Willow. Tämä on ensimmäinen kvanttilaskentasilicon, jonka virherate on niin alhainen, että mitä enemmän kvanttitavuja (qubits) lisäät, sitä vähemmän virheitä syntyy. Se tekee siitä ensimmäisen skaalautuvan kvanttisirun suunnittelun.

Mutta ehkä Googlen suurin panos on ohjelmistossa, toiminnassa, jossa sillä on vaikuttava tulospiste, itse asiassa parempi kuin laitteistossa (haku, G Suite, Android, jne.).

Jo Googlen Quantum AI tarjoaa ohjelmistokokonaisuuden, joka on suunniteltu auttamaan tutkijoita kvantti-algoritmien kehittämisessä.

Se myös avoimesti kannustaa “tutkijoita, insinöörejä ja kehittäjiä liittymään mukaan tähän matkaan tutustumalla avoin lähdekoodin ohjelmistoon ja koulutusmateriaaleihin, mukaan lukien uusi kurssi Courserassa, jossa kehittäjät voivat oppia kvanttivirhekorjauksen perusteet ja auttaa meitä luomaan algoritmeja, jotka ratkaisevat tulevaisuuden ongelmia.”

Kiitos tähän avoimeen lähestymistapaan, Google on nyt johtava sekä laitteistossa että pilviratkaisuissaan. Google saattaa olla yksi yrityksistä, jotka asettavat kvanttilaskennan ohjelmiston ja kvanttiohjelmoinnin standardit, antaen sille etuoikeutetun aseman ohjata alan tulevaa kehitystä.

Sillä välin AI-ratkaisut, mukaan lukien Waymon itseajava auto, saattavat tulla Alphabetin uudeksi tulonlähteeksi, joka pitää edelleen valtavaa hallitsevaa asemaa hakukone- ja mainostyömarkkinoilla.

Voit oppia lisää Googlen ei-kvanttiin liittyvistä toimista, erityisesti mainonnasta ja AI:sta, dedikoidussa raportissamme joulukuulta 2024.

2. Ciena Corporation

Kumppani on tutkimusprojekti, joka osoitti kvanttiteleportaatio optisessa kuidussa, Ciena Corporation on globaali johtaja optisissa ja reititysjärjestelmissä, palveluissa ja automaatio-ohjelmistossa.

Ciena on selvästi maailman suurin yritys Kiinan ulkopuolella optisilla markkinoilla, halliten yli 25 % markkinoista. Se on läsnä 70 maassa.

Yritys näkee kaistanleveyden kysynnän räjähtävän seuraavien neljän vuoden aikana, jota ohjaa AI-sovellusten kysyntä.

Tämä on saanut yrityksen hyödyntämään vahvaa asemaansa optisissa verkoissa laajentaakseen uusia markkinoita, jotka liittyvät AI-buumiin, erityisesti koska monet AI-sovellukset vaativat uusia paikallisia datakeskuksia, yksityisyys- ja rajat ylittävän tietovirran lainsäädännön vuoksi, sekä hajautettujen datakeskusten nousun, mikä edellyttää enemmän optisen verkon kapasiteettia.

Jos olemassa olevat optiset kuituverkot osoittautuvat käyttökelpoisiksi kvanttidatan siirtoon, tämä voisi osoittaa uuden kukoistavan sektorin optisten verkkojen teollisuudelle. Tämä tekisi alan tulevaisuudesta entistä lupaavamman, sillä kvanttilaskenta voisi antaa sille valtavan potkun AI-sovellusten jo räjähtävän kysynnän jälkeen.

Tutkimusviite:

^{1. Thomas, J. M., Yeh, F. I., Chen, J. H., Mambretti, J. J., Kohlert, S. J., Kanter, G. S., & Kumar, P. (2024). Quantum teleportation coexisting with classical communications in optical fiber. Optica, 11(12), 1700–1707. https://doi.org/10.1364/OPTICA.11.001700}