Toekomst van kwantumcommunicatie: Uitleg van enkele-foton-teleportatie

Wat is kwantumteleportatie en hoe werkt het?

Hoewel het klinkt als een fantasierijk concept uit een sciencefictionfilm, is kwantumteleportatie eigenlijk een echt fenomeen dat al tientallen jaren wordt bestudeerd.

Dit gebeurt wanneer twee verschillende deeltjes “gepaard/gebonden” worden, 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 lijkt het zelfs alsof 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 kwantumfysici. We weten echter dat dit een zeer reëel en meetbaar kwantumeffect is, dat perfect beveiligde en onmiddellijke communicatie zou kunnen mogelijk maken.

De huidige staat van kwantumteleportatietechnologie

Doorbraken die praktische kwantumdatatransfer mogelijk maken

Recente vooruitgang is geboekt om quantumverstrengeling en teleportatie te benutten als praktische middelen om data over te dragen.

Een vooruitgang was de ontdekking dat een gewoon optisch vezelnetwerk voor de taak kon worden gebruikt, zelfs wanneer gemengd met regulier internetverkeer. Dit opent de mogelijkheid van praktische kwantumtelecommunicatie zonder een speciaal parallel netwerk te hoeven bouwen naast het momenteel gebruikte normale netwerk.

Een andere vooruitgang is de mogelijkheid om kwantumcomputers met elkaar te verbinden. Oxford-onderzoekers gebruikten optische vezels om qubits met elkaar te verbinden en ze te verstrengelen, met behulp van fotonen (lichtdeeltjes). Dit zou de weg kunnen openen voor modulaire kwantumcomputers, waarbij elke subeenheid met elkaar verbonden is.

Ten slotte, QNodeOS, een besturingssysteem voor kwantumberekeningen, zou de softwarebasis bieden voor het exploiteren van zo’n netwerk van kwantumcomputers.

Beperkingen en uitdagingen van kwantumteleportatie

De meeste momenteel beschouwde kwantumteleportatieapparaten zijn van het “lineaire” type, waarbij de fotonen direct van punt A naar punt B worden overgedragen.

Dit is vaak problematisch, omdat dit type fotonoverdracht inherent ruis aan het signaal toevoegt, waardoor de telecommunicatie kan falen, of in ieder geval minder efficiënt is.

Een ander probleem is dat de meeste fotonbronnen niet één enkel fotonpaar produceren, waardoor het complex wordt om verstrengeling te bepalen.

In het bijzonder is het gebruikelijk dat verstrengelingsbronnen meer dan één fotonpaar tegelijk produceren, waardoor het onduidelijk is of de twee die in teleportatie worden gebruikt echt verstrengeld zijn.

Hoe niet-lineaire optica kwantumcommunicatie zou kunnen transformeren

Een team onderzoekers van de Universiteit van Illinois heeft mogelijk een nieuwe bron van fotonen gecreëerd die de prestaties van communicatie gebaseerd op kwantumteleportatie radicaal zou verbeteren.

Ze publiceerden hun resultaten in Physical Review Letters¹, onder de titel “Faithful Quantum Teleportation via a Nanophotonic Nonlinear Bell State Analyzer”.

Het kernidee is dat deze techniek helpt het probleem van meerdere fotonemissies te verminderen, waardoor de techniek betrouwbaarder wordt dankzij de onderliggende principes van niet-lineaire optica.

Begrijpen van niet-lineaire optica in kwantumtechnologie

Lineaire optica is de reguliere optische wetenschap die op school wordt onderwezen, waarbij licht bijvoorbeeld direct met een prisma interageert.

In niet-lineaire optica hangt de reactie van het medium waardoor het licht passeert af van de golflengte, intensiteit, richting en polarisatie van het licht.

“Multiphotonruis treedt op in alle realistische verstrengelingsbronnen, en het is een ernstig probleem voor kwantumnetwerken.

Het aantrekkelijke van niet-lineaire optica is dat het het effect van multiphotonruis kan mitigeren dankzij de onderliggende fysica, waardoor het mogelijk wordt om met onvolmaakte verstrengelingsbronnen te werken.

Elizabeth Goldschmidt – professor fysica aan Illinois

Niet-lineaire optische componenten veroorzaken dat fotonen van verschillende frequenties combineren en nieuwe fotonen op nieuwe frequenties creëren. In dit specifieke geval werd “sum frequency generation” (SFG) gebruikt.

Bron: EKSPLA

Fotonfusie via somfrequentiegeneratie (SFG)

Dankzij de fusie van fotonen die tijdens SFG plaatsvindt, kunnen alleen de frequenties van deze specifieke fotonen worden gebruikt, waardoor de ruis van meerdere fotonen bij gebruik van lineaire optica sterk wordt verminderd.

Bron: SciTechDaily

Dit is geen nieuw idee, maar het probleem tot nu toe was dat het laten plaatsvinden van SFG zo moeilijk was dat er nooit genoeg fotonen waren om een praktische manier van informatieoverdracht te vormen.

“Onderzoekers weten hier al lange tijd van, maar het werd niet volledig verkend vanwege de lage kans op succesvolle SFG.

In het verleden was de beste prestatie 1 op 100 miljoen. Onze prestatie is een factor 10.000 verbetering in conversie‑efficiëntie te realiseren tot 1 op 10.000 met een nanofotonisch platform.

Kejie Fang – universitair hoofddocent elektrotechniek en computertechniek

Nieuwe materialen die niet-lineaire kwantumoptica haalbaar maken

Deze 10.000‑voudige boost in efficiëntie maakt niet-lineaire optica plotseling een haalbare optie om de fotonen te produceren die zullen worden gebruikt om data over te dragen via de meting van hun verstrengeling.

Dit werd bereikt dankzij een indium‑gallium‑fosfor materiaal ontwikkeld door de onderzoekers.

“Ons niet-lineaire systeem verzendt kwantuminformatie met 94% fideliteit, vergeleken met de theoretische limiet van 33% voor systemen die lineaire optische componenten gebruiken,”

Kejie Fang – universitair hoofddocent elektrotechniek en computertechniek

Wat staat er op de agenda voor kwantumteleportatie en netwerken?

Dit is voorlopig een zeer theoretische vooruitgang, in die zin dat het volledig verandert hoe onderzoekers in de toekomst kwantumtelecommunicatiesystemen moeten bouwen, aangezien momenteel alle kwantumnetwerkprotocollen (inclusief kwantumteleportatie en verstrengelingswissel) een lineair‑optisch ontwerp gebruiken.

Gecombineerd met de vooruitgang die is geboekt in het overdragen van verstrengelde fotonen in reguliere optische vezelnetwerken, zou dit de betrouwbaarheid en efficiëntie van deze telecommunicatiemethode radicaal kunnen veranderen, waardoor onderling verbonden kwantumcomputers veel dichterbij komen dan voorheen werd gedacht.

Investeren in trapped-ion kwantumcomputing

Naarmate deze kwantumcommunicatie‑vooruitgangen steeds haalbaarder worden, positioneren bedrijven zoals IonQ (IONQ ) zich om de technologie te commercialiseren.

IonQ is een kwantumcomputingbedrijf dat trapped‑ion‑technologie gebruikt, opgericht door pionierswetenschappers op het gebied van de Universiteit van Maryland en Duke University. Het werd in 2021 publiek genoteerd aan de NYSE.

IonQ‑kwantumcomputingplatformen kunnen een resultaat met 99,9% fideliteit produceren. Het gebruikt momenteel een keten van 64 bariumionen, waardoor een 36‑algoritmische qubit (AQ) ontstaat. De ketenorganisatie maakt veel snellere berekeningen mogelijk dan andere trapped‑ion‑ontwerpen zonder verlies van fideliteit.

Bron: IonQ

IonQ verwierf Qubitekk in januari 2025, waardoor het team van het bedrijf en 118 patenten aan IonQ worden toegevoegd. De specialiteit van Qubitekk ligt in kwantumnetwerken, met gebruik van fotonische interconnecties, het mogelijk maken van kwantumclusters, en het bevorderen van mogelijkheden voor een kwantuminternet.

Kwantumnetwerken moeten zeer veilige communicatie mogelijk maken en uiteindelijk gedistribueerde kwantumcomputing mogelijk maken. Gezien de snelle ontwikkeling van het veld, kan expertise en intellectueel eigendom op dit gebied cruciaal blijken voor de toekomst van IonQ.

IonQ ontwikkelt ook een partnerschap met NKT Photonics (NKT.CO) om toekomstige datacenter‑klare kwantumcomputers te ontwikkelen.

Het werkt ook samen met Imec aan fotonische geïntegreerde circuits en chip‑scale iontrap‑technologie om het aantal qubits, de systeemgrootte en de kosten van het bedrijf op te schalen.

In plaats van een eigen SDK (Software Development Kit) te ontwikkelen, ondersteunt het bedrijf alle grote tegelijk, en werkt het samen met vele toonaangevende bedrijven om nieuwe kwantumcomputing‑toepassingen te ontwikkelen.

Bron: IonQ

Samen met zijn concurrent Quantinuum, onderdeel van Honeywell (HON ), is IonQ dichter bij het ontwikkelen van commerciële kwantumcomputers, met de focus op hoge fideliteit, een lager aantal qubits in trapped‑ion‑systemen.

IonQ is het dichtst bij een pure kwantumcomputing‑aandeel voor beleggers die minder geïnteresseerd zijn in de activiteiten van andere leiders zoals Google, Intel (INTC ), IBM of Honeywell.

Zijn vroege succes heeft geholpen een sterk netwerk van partnerschappen met andere kwantumcomputing‑innovators op te bouwen om deze technologie voort te stuwen, met een recente herfocus op netwerken.

Naarmate kwantumverstrengeling‑telecom steeds betrouwbaarder wordt, kan de combinatie van vele hoog‑betrouwbare trapped‑ion‑kwantumcomputers een solide optie zijn voor de eerste commerciële toepassing van deze technologie.

IonQ‑aandelennieuws en laatste ontwikkelingen

Studieverwijzing:

^{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}