Quantumteleportatie – Feit of Fictie?

Gebruik van glasvezel voor quantumteleportatie

Global digitale communicatie is afhankelijk van de snelle en efficiënte overdracht van gegevens met de lichtsnelheid via een complex netwerk van glasvezels. Dit is acceptabel voor klassieke computing, die binaire reeksen van 0 en 1 gebruikt.

Echter, nu quantumcomputing steeds dichter bij een algemeen gebruikte tool voor encryptie, wetenschappelijk onderzoek en andere toepassingen komt, rijst de vraag hoe quantumgegevens van de ene quantumcomputer naar de andere kunnen worden overgebracht.

Lange tijd werd gedacht dat dit bijna onmogelijk was. Elke quantumcomputer zou geïsoleerd van de andere moeten werken, waardoor hun potentieel werd beperkt.

Dit wordt snel een belangrijk probleem voor de technologiesector, vooral nu nieuwe schaalbare ontwerpen van quantumchips net zijn onthuld.

Dit is dus een belangrijke stap die onderzoekers van Northwestern University, Ciena Corporation (CIEN ) en NuCrypt LCC hebben ontdekt: de quantumtoestand kan worden behouden en overgedragen in glasvezel naast een “normale” datastroom.

Ze publiceerden hun resultaten in Optica, getiteld “Quantumteleportatie naast klassieke communicatie in glasvezel¹”.

Quantumteleportatie

Hoewel het klinkt als een fantasierijk concept uit een sciencefictionfilm, is quantumteleportatie eigenlijk een reëel fenomeen dat al decennialang wordt bestudeerd.

Dit gebeurt wanneer twee verschillende deeltjes “gepaard/gebonden” zijn, iets dat quantumverstrengeling wordt genoemd.

In dit geval, wanneer twee deeltjes met elkaar verbonden zijn, wisselen ze informatie uit over grote afstanden — zonder deze fysiek te dragen. In sommige gevallen zou het zelfs mogelijk kunnen zijn dat de informatie‑uitwisseling sneller gebeurt dan de lichtsnelheid, iets dat theoretisch onmogelijk is.

Hoe het werkt en wat het betekent voor het fundamentele aspect van onze realiteit wordt nog steeds fel gedebatteerd door quantumfysici. We weten echter dat dit een zeer reëel en meetbaar quantumverschijnsel is, dat perfecte beveiligde en onmiddellijke communicatie kan mogelijk maken.

Radicaal verschillende communicatie

Een naald in een bewegende hooiberg

Tot nu toe werd aangenomen dat geen enkele quantumtoestand door glasvezel kon worden overgedragen, omdat elk individueel verstrengeld foton zou worden opgeslokt door de andere miljarden die ermee meereizen en zijn unieke quantumtoestand zou verliezen.

“Door een destructieve meting uit te voeren op twee fotonen — één die een quantumtoestand draagt en één die verstrengeld is met een ander foton — wordt de quantumtoestand overgedragen op het overgebleven foton, dat zeer ver weg kan zijn.

Het foton zelf hoeft niet over lange afstanden te worden verzonden, maar zijn toestand wordt toch gecodeerd op het verre foton. Teleportatie maakt de uitwisseling van informatie over grote afstanden mogelijk zonder dat de informatie zelf die afstand moet afleggen.

”

Jordan Thomas – Ph.D. at Northwestern University.

Het cruciale inzicht was te meten of er geen specifieke conditie in de glasvezel was die de quantumverstrengeling zou verstoren.

Na grondige studies over hoe licht verstrooit binnen glasvezelkabels, vonden de onderzoekers een minder drukke golflengte om hun fotonen te plaatsen, de 1290‑nm quantumkanalen. Vervolgens voegden ze speciale filters toe om ruis van regulier internetverkeer te verminderen.

Natuurlijk, hoewel dit eenvoudig klinkt, was de daadwerkelijke experimentele opstelling allesbehalve simpel, en gaf het gepubliceerde wetenschappelijke artikel ons een kijkje in hoe complex het hele experiment werkelijk was:

Bron: Optica

Nieuwe telecommunicatie

Aangezien glasvezel fotonen van punt A naar punt B transporteert, was al bekend dat ze een quantumtoestand konden dragen. Maar dit is de eerste keer dat is aangetoond dat dit kan gebeuren terwijl tegelijkertijd andere niet‑quantumgegevens worden overgedragen.

Dit betekent dat er een heel ander informatieoverdrachtsproces plaatsvindt, waarbij één enkel foton tegelijk wordt gebruikt in plaats van de gebruikelijke miljoenen fotonen.

“In optische communicatie worden alle signalen omgezet in licht. Terwijl conventionele signalen voor klassieke communicatie doorgaans miljoenen lichtdeeltjes omvatten, gebruikt quantuminformatie enkele fotonen.”

Pr Prem Kumar – Director of the Center for Photonic Communication and Computing at Northwestern University

Van eerste prototype tot grotere ambities

Meer glasvezel

De eerste test werd uitgevoerd op een 30 km lange (18,6 mijl) glasvezel, met hogesnelheids‑internetverkeer dat erdoorheen liep.

De volgende stap voor de onderzoekers zal zijn om met veel langere afstanden te experimenteren, om te zien hoe ver ze deze nieuwe methode van verre communicatie kunnen duwen.

Dit is tot nu toe alleen met laboratorium‑glasvezel uitgevoerd. Een andere reeks tests zal experimenteren met echte ondergrondse glasvezelkabels en bekijken hoe goed ze werken met het bestaande wereldwijde internet‑glasvezelnetwerk.

Uitbreiding van quantumtoepassingen

Een ander onderdeel van het lopende onderzoek zal zijn om twee paren verstrengelde fotonen te gebruiken, in plaats van één paar. Dit zou nagaan wat er gebeurt met een ander quantumfenomeen genaamd entanglement swapping.

Entanglement swapping is een protocol om quantumverstrengeling van het ene partikelpaar naar een ander over te dragen, zelfs als het tweede partikelpaar nooit heeft geinterageerd.

Dit is een belangrijk extra hulpmiddel voor potentiële toekomstige quantumtelecommunicatie omdat het zou leiden tot gedistribueerde quantumtoepassingen zoals quantumnetwerken. Deze netwerken kunnen het veilig overdragen van quantuminformatie over lange routes ondersteunen.

“Quantumteleportatie heeft de mogelijkheid om quantumconnectiviteit veilig te bieden tussen geografisch verre knooppunten. Maar veel mensen hebben lang aangenomen dat niemand gespecialiseerde infrastructuur zou bouwen om lichtdeeltjes te verzenden.

Als we de golflengten correct kiezen, hoeven we geen nieuwe infrastructuur te bouwen. Klassieke communicatie en quantumcommunicatie kunnen naast elkaar bestaan.

”

Pr Prem Kumar – Director of Center for Photonic Communication and Computing at Northwestern University

Dit zou een grote stap zijn in quantum‑aangedreven encryptie, omdat door gebruik te maken van verwisselde verstrengelingen tussen partikelparen, het mogelijk is veilige encryptiesleutels te genereren die beschermd moeten zijn tegen afluisteren.

Een ander effect zou het mogelijk maken om quantumtoestanden over ultralange afstanden te transfereren, via een methode genaamd quantum repeaters. Door regelmatig entanglement swapping uit te voeren, kan de quantumtoestand “ververst” worden en kan gegevensverlies over lange afstanden worden voorkomen.

Investeren in quantumcomputing

Quantumcomputing is nog steeds een opkomend veld, maar beleggers kunnen er al toegang toe krijgen via bedrijven die het ontwikkelen.

U kunt investeren in quantumgerelateerde bedrijven via vele brokers, en u kunt hier, op securities.io, onze aanbevelingen vinden voor de beste brokers in de VS, Canada, Australië, het VK, en vele andere landen.

Als u niet geïnteresseerd bent in het selecteren van specifieke quantumcomputing‑bedrijven, kunt u ook kijken naar quantumcomputing‑ETF’s zoals Defiance Quantum ETF (QTUM), die een meer gediversifieerde blootstelling bieden om te profiteren van de quantumcomputing‑industrie.

U kunt meer leren over quantumcomputing in “The Current State of Quantum Computing ” en de grootste bedrijven in de sector in “5 Best Quantum Computing Companies” & “Top 10 Non-Silicon Computing Companies”.

Quantumcomputingbedrijf

1. Alphabet Inc.

Google is zeer actief in quantumcomputing, voornamelijk via zijn Google Quantum AI‑lab en Quantum AI‑campus in Santa Barbara.

De quantumcomputer van Google schreef geschiedenis in 2019 toen het beweerde “quantum suprematie” te hebben bereikt met zijn Sycamore‑machine. De machine voerde een berekening uit in 200 seconden die een conventionele supercomputer 10.000 jaar zou hebben gekost.

Dit wordt nu overschaduwd door de prestaties van zijn nieuwste chip, genaamd Willow. Dit is de allereerste quantumcomputing‑chip met een foutpercentage laag genoeg, zodat hoe meer qubits je toevoegt, hoe minder fouten je krijgt. Het maakt het het allereerste schaalbare quantumchip‑ontwerp.

Maar misschien is de grootste bijdrage van Google in software, een activiteit waar het een indrukwekkend track record heeft, zelfs beter dan in hardware (search, G Suite, Android, enz.).

Al biedt Google’s Quantum AI een reeks software die is ontworpen om wetenschappers te helpen bij het ontwikkelen van quantumalgoritmen.

Het pleit ook openlijk voor “onderzoekers, ingenieurs en ontwikkelaars om zich bij ons aan te sluiten op deze reis door onze open‑source‑software en educatieve bronnen te bekijken, inclusief onze nieuwe cursus op Coursera, waar ontwikkelaars de basisprincipes van quantum‑foutcorrectie kunnen leren en ons kunnen helpen algoritmen te creëren die de problemen van de toekomst kunnen oplossen.”

Dankzij deze open benadering leidt Google nu zowel in hardware als in zijn cloudoplossingen. Google zou een van de bedrijven kunnen zijn die de normen voor quantumcomputing‑software en quantumprogrammering bepalen, waardoor het een bevoorrechte positie krijgt om de toekomstige evolutie van het veld te sturen.

Intussen kunnen AI‑oplossingen, waaronder Waymo’s zelfrijdende auto, de nieuwe inkomstenbron voor Alphabet (GOOG ) worden, dat nog steeds een enorm dominante positie heeft in de zoek‑ en advertentie‑industrieën.

U kunt meer leren over Google’s niet‑quantumgerelateerde activiteiten, vooral advertenties en AI, in ons speciale rapport van december 2024.

2. Ciena Corporation

Een partner is het onderzoeksproject dat quantumteleportatie in glasvezel heeft aangetoond, Ciena Corporation is een wereldleider in optische en routeringssystemen, diensten en automatiseringssoftware.

Ciena is verreweg het grootste bedrijf buiten China op de optische markt, met meer dan 25% van de markt. Het is aanwezig in 70 landen.

Bron: Ciena Corporation

Het bedrijf ziet de vraag naar bandbreedte de komende 4 jaar explosief groeien, gedreven door de vraag vanuit AI‑toepassingen.

Bron: Ciena Corporation

Dit heeft het bedrijf ertoe aangezet zijn sterke positie in optische netwerken te gebruiken om uit te breiden naar nieuwe markten die relevant zijn voor de AI‑boom, met name vanwege vele AI‑toepassingen die nieuwe gelokaliseerde gegevens centra, vanwege wetten over privacy en grensoverschrijdende gegevensstroom, evenals de opkomst van gedistribueerde datacenters, die meer capaciteit voor optische netwerken vereisen.

Bron: Ciena Corporation

Als bestaande netwerken van glasvezel bruikbaar blijken te zijn voor het verzenden van quantumgegevens, zou dit een nieuwe bloeiende sector voor de optische netwerkindustrie kunnen bewijzen. Dit zou de toekomst van de sector nog veelbelovender maken, aangezien quantumcomputing het een enorme impuls kan geven na de reeds explosieve vraag vanuit AI‑toepassingen.

Studieverwijzing:

^{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}