Laskenta
Kvanttiyhteyden tulevaisuus: Yhden fotonin teleportaatio selitetty
Lisää Securities.io suosikkilähteisiisi Google-palvelussa
Mitä kvanttiteleportaatio on ja miten se toimii?
Vaikka se kuulostaa kuin jotain mielikuvituksellista tieteiselokuvasta, kvanttiteleportaatio on itse asiassa todellinen ilmiö, jota on tutkittu vuosikymmeniä.
Tämä tapahtuu, kun kaksi erilaista hiukkasta “paritetaan/sidotaan” yhteen, mikä on kvanttihäiriö.
Tässä tapauksessa, kun kaksi hiukkasta on yhteydessä toisiinsa, riippumatta niiden välisestä etäisyydestä, ne vaihtavat tietoa suurilla etäisyyksillä ilman fyysistä siirtoa. Joissakin tapauksissa vaikuttaa siltä, että tiedonvaihto tapahtuu nopeammin kuin valonnopeus, mikä on teoreettisesti mahdotonta.
Sen toiminta ja merkitys todellisuutemme perustavanlaatuiselle tasolle on edelleen kiivasti kiistanalainen kvanttifysiikkojen keskuudessa. Kuitenkin tiedämme, että tämä on erittäin todellinen ja mitattavissa oleva kvanttiefekti, joka voisi mahdollistaa täydellisesti suojatut ja välittömät viestit.
Kvanttiteleportaatio-teknologian nykytila
Läpimurtoja, jotka mahdollistavat käytännöllisen kvanttidata-siirron
Viimeaikaiset edistysaskeleet ovat hyödyntäneet kvanttihäiriötä ja teleportaatioita käytännöllisinä keinoina tiedon siirtämiseen.
Yksi edistysaskel oli löytö, että tavallista optista kuituverkkoa voitaisiin käyttää tähän tehtävään, vaikka se olisi sekoitettu tavalliseen internet-liikenteeseen. Tämä avaa mahdollisuuden käytännölliseen kvanttitelekommunikaatioon ilman, että täytyy rakentaa erillinen rinnakkaisverkko nykyisen normaalin verkon rinnalle.
Toinen edistysaskel on mahdollisuus yhdistää kvanttitietokoneita verkkoon. Oxfordin tutkijat käyttivät optisia kuituja yhdistääkseen kubitteja ja saivat ne häiriöön, käyttäen fotoneja (valohiukkasia). Tämä voisi avata tien modulaarisille kvanttitietokoneille, joissa jokainen alayksikkö on yhdistetty toisiinsa.
Rajoitukset ja haasteet kvanttiteleportaatiossa
Useimmat nykyisin harkitut kvanttiteleportaatio-laitteet ovat “lineaarisia” tyyppiä, jossa fotonit siirretään suoraan pisteestä A pisteeseen B.
Tämä on usein ongelmallista, koska tällainen fotoninsiirto lisää luonnostaan kohinaa signaaliin, mikä voi aiheuttaa telekommunikaation epäonnistumisen tai ainakin tehottomuuden.
Toinen ongelma on, että useimmat fotonilähteet eivät tuota yhtä fotoniparia, mikä tekee häiriön määrittämisestä monimutkaista.
Miten epälineaarinen optiikka voisi mullistaa kvanttiviestinnän
Illinoisin yliopiston tutkijaryhmä on saattanut luoda uuden fotonilähteen, joka parantaisi radikaalisti kvanttiteleportaatioon perustuvan viestinnän suorituskykyä.
He julkaisi tuloksensa Physical Review Letters1, otsikolla “Faithful Quantum Teleportation via a Nanophotonic Nonlinear Bell State Analyzer”.
Keskeinen ajatus on, että tämä tekniikka auttaa vähentämään monien fotonien emittointiongelmaa, tehden tekniikasta luotettavamman epälineaarisen optiikan periaatteiden ansiosta.
Epälineaarisen optiikan ymmärtäminen kvanttiteknologiassa
Lineaarinen optiikka on tavallinen optiikan tiede, jota opetetaan koulussa, jossa valo esimerkiksi vuorovaikuttaa suoraan prisman kanssa.
Epälineaarisessa optiikassa valon kulkevan väliaineen reaktio riippuu valon aallonpituudesta, intensiteetistä, suunnasta ja polarisaatiosta.
“Monifotonikohina esiintyy kaikissa realistisissa häiriölähteissä, ja se on vakava ongelma kvanttiverkoissa.
Epälineaarisen optiikan houkuttelevuus on, että se voi lieventää monifotonikohinan vaikutusta perustavan fysiikan avulla, mahdollistaen työskentelyn epätäydellisten häiriölähteiden kanssa.
Epälineaariset optiset komponentit aiheuttavat erilaisten taajuuksien fotonien yhdistymisen ja uusien fotonien syntymisen uusilla taajuuksilla. Tässä erityistapauksessa käytettiin “summa‑taajuusgenerointia” (SFG).
Lähde: EKSPLA
Fotonien yhdistäminen summa‑taajuusgeneroinnin (SFG) avulla
SFG:n aikana tapahtuvan fotonien yhdistymisen ansiosta voidaan käyttää vain näiden tiettyjen fotonien taajuuksia, mikä vähentää merkittävästi monifotonikohinaa, joka syntyy lineaarista optiikkaa käytettäessä.
Lähde: SciTechDaily
Tämä ei ole uusi idea, mutta tähän mennessä ongelma on ollut, että SFG:n toteuttaminen oli niin vaikeaa, ettei koskaan ollut riittävästi fotoneja käytännölliseksi tiedonsiirtomenetelmäksi.
“Tutkijat ovat tienneet tästä pitkään, mutta sitä ei ole täysin tutkittu onnistuneen SFG:n alhaisen todennäköisyyden vuoksi.
Aikaisemmin paras saavutettu tulos oli 1 100 miljoonasta. Saavutuksemme on toteuttaa 10 000‑kertainen kasvu muuntosuhteessa, 1 10 000:sta nanofotonisen alustan avulla.
Uudet materiaalit, jotka tekevät epälineaarisen kvanttialtikan mahdolliseksi
Tämä 10 000‑kertainen tehokkuuden kasvu tekee äkillisesti epälineaarisesta optiikasta käyttökelpoisen vaihtoehdon tuottaa fotoneja, joita käytetään tiedon siirtämiseen niiden häiriön mittauksen avulla.
Se saavutettiin kiitos tutkijoiden kehittämän indium‑gallium‑fosfaattimateriaalin.
“Järjestelmämme epälineaarinen järjestelmä siirtää kvanttitietoa 94 % tarkkuudella, verrattuna lineaarisia optisia komponentteja käyttävien järjestelmien teoreettiseen rajaan, joka on 33 %.”
Kejie Fang – sähkö‑ ja tietotekniikan apulaisprofessori
Mitä on seuraavaksi kvanttiteleportaatiossa ja verkottamisessa?
Tämä on toistaiseksi hyvin teoreettinen edistysaskel, sillä se muuttaa täysin sitä, miten tutkijoiden täytyy tulevaisuudessa rakentaa kvanttitelekommunikaatiojärjestelmiä, koska nykyisin kaikki kvanttiverkko‑protokollat (mukaan lukien kvanttiteleportaatio ja häiriön vaihtaminen) käyttävät lineaarista optiikkasuunnittelua.
Yhdistettynä edistykseen, joka on saavutettu häiriöön kytkettyjen fotonien siirtämisessä tavallisissa optisissa kuituverkkoissa, tämä voisi radikaalisesti muuttaa tämän telekommunikaatiomenetelmän luotettavuutta ja tehokkuutta, tuoden toisiinsa kytketyt kvanttitietokoneet paljon lähemmäs kuin aiemmin katsottiin mahdolliseksi.
Sijoittaminen loukkuionikvanttitietokoneisiin
Näiden kvanttiviestinnän edistysten tullessa yhä toteuttamiskelpoisemmiksi, yritykset kuten IonQ (IONQ ) asettavat itsensä kaupallistamaan teknologiaa.
IonQ on kvanttitungi‑yritys, joka käyttää loukkuioniteknologiaa, ja sen perusti alansa pioneirit Marylandin yliopistosta ja Duke Universitysta. Se listautui julkisesti NYSE:ssä vuonna 2021.
IONQ Hintakaavio
IonQ:n kvanttitungialustat pystyvät tuottamaan 99,9 % tarkkuuden tuloksen. Ne käyttävät tällä hetkellä 64‑bariumioni‑ketjua, tuottaen 36‑algoritmisen kubitin (AQ). Ketjun järjestely mahdollistaa paljon nopeamman laskennan kuin muut loukkuioni‑mallit menettämättä tarkkuutta.
Lähde: IonQ
IonQ hankki Qubitekkin tammikuussa 2025, lisäten toimintaansa yrityksen tiimin ja 118 patenttia IonQ:lle. Qubitekkin erikoisala on kvanttiverkot, käyttäen fotonisia liitäntöjä, mahdollistamalla kvanttiryhmiä ja edistämällä kvantti‑internetin kykyjä.
Kvanttiverkkojen tulisi mahdollistaa erittäin turvallinen viestintä ja lopulta sallia hajautettu kvanttitungi. Kun otetaan huomioon, kuinka nopeasti ala kehittyy, asiantuntemus ja immateriaalioikeudet tässä aiheessa voivat osoittautua ratkaiseviksi IonQ:n tulevaisuudelle.
IonQ on myös kehittämässä kumppanuutta NKT Photonics (NKT.CO) auttaakseen tulevaisuuden datakeskuksiin valmiiden kvanttitungien kehittämisessä.
Se tekee myös yhteistyötä Imecin kanssa fotonisten integroituja piirejä ja sirun tasoista ionikoukun teknologiaa varten, jotta yrityksen kubittien määrä, järjestelmän koko ja kustannukset skaalautuvat.
Sen sijaan, että se kehittäisi omaa SDK:ta (Software Development Kit), yritys tukee kaikkia suurimpia kerralla ja tekee yhteistyötä monien johtavien yritysten kanssa kehittääkseen uusia kvanttitungisovelluksia.
Lähde: IonQ
Yhdessä kilpailijansa Quantinuumin, joka on osa Honeywellia (HON ), kanssa IonQ on lähempänä kaupallisten kvanttitungien kehittämistä, keskittyen korkeaan tarkkuuteen ja pienempään kubittimäärään loukkuioni‑järjestelmissä.
IonQ on lähin puhdas kvanttitungiosake sijoittajille, jotka eivät ole niin kiinnostuneita muiden johtajien, kuten Googlen, Intelin, IBM:n tai Honeywellin, toiminnasta.
Sen varhainen menestys on auttanut sitä rakentamaan vahvan kumppanuusverkoston muiden kvanttitungi‑innovaattoreiden kanssa, jotta teknologiaa viedään eteenpäin, ja viimeaikainen uudelleenkeskittyminen on verkottuihin kvanttitungiin.
Kun kvanttihäiriötelekommunikaatio tulee yhä luotettavammaksi, monien korkean luotettavuuden loukkuioni‑kvanttitungien yhdistelmä saattaa olla vahva vaihtoehto tämän teknologian ensimmäiselle kaupalliselle sovellukselle.
IonQ‑osakkeen uutiset ja viimeisimmät kehitykset
Tutkimusviite:
1. Joshua Akin, Yunlei Zhao, Paul G. Kwiat, Elizabeth A. Goldschmidt, and Kejie Fang.(2025) Faithful Quantum Teleportation via a Nanophotonic Nonlinear Bell State Analyzer. Physical Review Letters134, 160802 https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.160802
