Kvanteteleportasjon – fakta eller fiksjon?

Bruk av optisk fiber for kvanteteleportasjon

Global digital kommunikasjon er avhengig av rask og effektiv overføring av data med lysets hastighet gjennom et komplekst nettverk av optiske fibre. Dette er akseptabelt for klassisk databehandling, som bruker binære strenger av 0 og 1.

Imidlertid, etter hvert som kvantedatabehandling blir stadig nærmere å bli et vanlig verktøy for kryptering, vitenskapelig forskning og andre anvendelser, oppstår spørsmålet om hvordan man kan overføre kvantedata fra én kvantedatamaskin til en annen.

I lang tid ble dette ansett som nesten umulig. Hver kvantedatamaskin var dømt til å fungere isolert fra hverandre, noe som reduserte deres potensial.

Dette blir raskt et viktig problem å løse for teknologibransjen, spesielt ettersom nye skalerbare design av kvantebrikker nettopp har blitt avduket.

Dette er derfor et viktig steg som forskere ved Northwestern University, Ciena Corporation (CIEN ) og NuCrypt LCC har oppdaget: kvantetilstanden kan bevares og overføres i optisk fiber sammen med en «normal» datastrøm.

De publiserte sine resultater i Optica, med tittelen «Kvanteteleportasjon som sameksisterer med klassisk kommunikasjon i optisk fiber¹».

Kvanteteleportasjon

Selv om det høres ut som et fantasifullt konsept fra en science‑fiction‑film, er kvanteteleportasjon faktisk et reelt fenomen som har blitt studert i flere tiår.

Dette skjer når to ulike partikler «parres/bindes» sammen, noe som kalles kvante‑sammenfiltring.

I dette tilfellet, når to partikler er koblet sammen, uavhengig av avstanden mellom dem, utveksler de informasjon over store avstander – uten å fysisk bære den. I noen tilfeller kan det til og med være mulig at informasjonsutvekslingen skjer raskere enn lysets hastighet, noe som teoretisk er umulig.

Hvordan det fungerer og hva det betyr for det grunnleggende aspektet av vår virkelighet er fortsatt hett debattert av kvantefysikere. Vi vet imidlertid at dette er en svært reell og målbar kvanteeffekt, som kan muliggjøre perfekt sikre og umiddelbare kommunikasjoner.

Radikalt forskjellige kommunikasjon

En nål i en bevegelig høyball

Inntil nå ble det antatt at ingen kvantetilstand kunne overføres gjennom optisk fiber, da enhver enkelt sammenfiltrede foton ville bli blandet med de andre milliarder som reiser med den og miste sin unike kvantetilstand.

«Ved å utføre en destruktiv måling på to fotoner – en som bærer en kvantetilstand og en som er sammenfiltrert med en annen foton – blir kvantetilstanden overført til den gjenværende fotonen, som kan være svært langt unna.

Fotonen selv trenger ikke å sendes over lange avstander, men dens tilstand ender opp kodet på den fjerne fotonen. Teleportasjon gjør det mulig å utveksle informasjon over store avstander uten at selve informasjonen må reise den avstanden.

»

Jordan Thomas – Ph.D. ved Northwestern University.

Den viktigste innsikten var å undersøke om det ikke var noen spesiell tilstand i den optiske fiberen som ville forstyrre den kvante‑sammenfiltrede tilstanden.

Etter å ha gjennomført grundige studier av hvordan lys spres i fiberoptiske kabler, fant forskerne en mindre overfylt bølgelengde for å plassere sine fotoner, 1290‑nm kvantekanaler. Deretter la de til spesielle filtre for å redusere støy fra vanlig internett‑trafikk.

Selvfølgelig, selv om dette høres enkelt ut, var selve eksperimentoppsettet alt annet enn enkelt, og den publiserte vitenskapelige artikkelen gir oss et innblikk i hvor komplekst hele eksperimentet virkelig var:

Kilde: Optica

Ny telekommunikasjon

Ettersom optisk fiber overfører fotoner fra punkt A til punkt B, var det allerede kjent at de kunne bære en kvantetilstand. Men dette er første gang det er demonstrert at dette kan skje samtidig som annen ikke‑kvante‑data også overføres.

Dette betyr at en svært annerledes informasjonsoverføringsprosess foregår, en som baserer seg på én enkelt foton av gangen i stedet for de vanlige millioner av fotoner.

«I optisk kommunikasjon blir alle signaler konvertert til lys. Mens konvensjonelle signaler for klassisk kommunikasjon vanligvis består av millioner av lyspartikler, bruker kvanteinformasjon enkeltfotoner.»

Pr Prem Kumar – direktør for Center for Photonic Communication and Computing ved Northwestern University

Fra første prototype til større ambisjoner

Mer optisk fiber

Den første testen ble utført på en 30 km lang (18,6 miles) optisk fiber, med høyhastighets‑internett‑trafikk som passerte gjennom.

Neste steg for forskerne vil være å eksperimentere med mye lengre avstander, for å se hvor langt de kan presse denne nye metoden for fjernkommunikasjon.

Dette har så langt blitt utført med kun laboratorie‑optisk fiber. Et annet sett med tester vil eksperimentere med optiske kabler i bakken i den virkelige verden og se hvor godt de fungerer med det eksisterende globale internett‑optiske fibernettet.

Utvidelse av kvanteapplikasjoner

En annen del av den pågående undersøkelsen vil være å bruke to par sammenfiltrede fotoner i stedet for ett par. Dette vil undersøke hva som skjer med et annet kvantefenomen kalt sammenfiltrings‑bytte.

Sammenfiltrings‑bytte er en protokoll for å overføre kvantesammenfiltring fra ett partikkelpar til et annet, selv om det andre partikkelparet aldri har interagert.

Dette er et viktig ekstra verktøy for potensielle fremtidige kvante‑telekommunikasjoner fordi det vil føre til distribuerte kvanteapplikasjoner som kvantenettverk. Disse nettverkene kan støtte sikker overføring av kvanteinformasjon over lange ruter.

«Kvanteteleportasjon har evnen til å gi sikker kvante‑tilkobling mellom geografisk fjerne noder. Men mange har lenge antatt at ingen ville bygge spesialisert infrastruktur for å sende lys‑partikler.

Hvis vi velger bølgelengdene riktig, trenger vi ikke bygge ny infrastruktur. Klassisk kommunikasjon og kvantekommunikasjon kan sameksistere.

»

Pr Prem Kumar – direktør for Center for Photonic Communication and Computing ved Northwestern University

Dette ville være et stort steg i kvante‑drevet kryptering, da ved å bruke byttede sammenfiltringer mellom partikkelpar, er det mulig å generere sikre krypteringsnøkler som bør være beskyttet mot avlytting.

En annen effekt ville være å tillate ultra‑langdistanse‑overføring av kvantetilstander, gjennom en metode kalt kvante‑repeater. Ved å utføre sammenfiltrings‑bytte regelmessig, kan den «oppfriske» kvantetilstanden og unngå datatap over lange avstander.

Investering i kvantedatabehandling

Kvantedatabehandling er fortsatt et fremvoksende felt, men investorer kan allerede få tilgang til det gjennom selskaper som utvikler det.

Du kan investere i kvante‑relaterte selskaper gjennom mange meglere, og du kan her på securities.io finne våre anbefalinger for de beste meglerne i USA, Canada, Australia, Storbritannia, samt mange andre land.

Hvis du ikke er interessert i å velge spesifikke kvantedatabehandlingsselskaper, kan du også se på kvantedatabehandlings‑ETF‑er som Defiance Quantum ETF (QTUM), som vil gi en mer diversifisert eksponering for å kapitalisere på kvantedatabehandlingsindustrien.

Du kan lære mer om kvantedatabehandling i «The Current State of Quantum Computing » og de største selskapene i sektoren i «5 Best Quantum Computing Companies» og «Top 10 Non‑Silicon Computing Companies».

Kvantedatabehandlingsselskap

1. Alphabet Inc.

Google er svært aktiv innen kvantedatabehandling, hovedsakelig gjennom sitt Google Quantum AI‑laboratorium og Quantum AI‑campus i Santa Barbara.

Googles kvantedatamaskin skrev historie i 2019 da den hevdet å ha oppnådd «kvantesupremati» med sin Sycamore‑maskin. Maskinen utførte en beregning på 200 sekunder som ville ha tatt en konvensjonell superdatamaskin 10 000 år.

Dette er nå overskygget av ytelsen til deres nyeste brikke, kalt Willow. Dette er den aller første kvantedatabehandlingsbrikken med en så lav feilrate at jo flere qubits du legger til, desto færre feil får du. Den gjør den til det aller første skalerbare kvantebrikkedesignet.

Men kanskje Googles største bidrag vil være innen programvare, en aktivitet der de har en imponerende merittliste, faktisk bedre enn innen maskinvare (søk, G Suite, Android, osv.).

Allerede gjør Googles Quantum AI tilgjengelig en samling programvare designet for å hjelpe forskere med å utvikle kvantealgoritmer.

Den oppfordrer også åpent forskere, ingeniører og utviklere til å bli med på denne reisen ved å sjekke ut vår open‑source‑programvare og utdanningsressurser, inkludert vårt nye kurs på Coursera, hvor utviklere kan lære det grunnleggende om kvantefeilkorrigering og hjelpe oss med å lage algoritmer som kan løse fremtidens problemer.

Takket være denne åpne tilnærmingen leder Google nå både innen maskinvare og sine sky‑løsninger. Google kan være ett av selskapene som setter standardene for kvante‑programvare og kvanteprogrammering, noe som gir dem en privilegert posisjon til å styre feltets fremtidige utvikling.

Samtidig kan AI‑løsninger, inkludert Waymos selvkjørende bil, bli den nye inntektsdriveren for Alphabet (GOOG ), som fortsatt har en massivt dominerende posisjon innen søk‑ og annonsebransjen.

Du kan lære mer om Googles ikke‑kvante‑relaterte aktiviteter, spesielt annonser og AI, i vår dedikerte rapport fra desember 2024.

2. Ciena Corporation

En partner er forskningsprosjektet som demonstrerte kvanteteleportasjon i optisk fiber, Ciena Corporation er en global leder innen optiske og rutingsystemer, tjenester og automatiseringsprogramvare.

Ciena er med god margin verdens største selskap utenfor Kina i det optiske markedet, og kontrollerer mer enn 25 % av markedet. Den er tilstede i 70 land.

Kilde: Ciena Corporation

Selskapet ser etterspørselen etter båndbredde eksplodere i de neste 4 årene, drevet av etterspørselen fra AI‑applikasjoner.

Kilde: Ciena Corporation

Dette har fått selskapet til å bruke sin sterke posisjon i optiske nettverk for å ekspandere inn i nye markeder relevante for AI‑boomen, spesielt på grunn av mange AI‑applikasjoner som krever nye lokaliserte data‑sentre, på grunn av lover om personvern og grenseoverskridende dataflyt, samt fremveksten av desaggregert datasentre, som krever mer optisk nettverkskapasitet.

Kilde: Ciena Corporation

Hvis eksisterende optiske fibernettverk viser seg å være brukbare for å overføre kvantedata, kan dette bevise en ny blomstrende sektor for den optiske nettverksindustrien. Dette vil gjøre fremtiden for sektoren enda mer lovende, ettersom kvantedatabehandling kan gi den et enormt løft etter den allerede eksploderende etterspørselen fra AI‑applikasjoner.

Studierreferanse:

^{1. Thomas, J. M., Yeh, F. I., Chen, J. H., Mambretti, J. J., Kohlert, S. J., Kanter, G. S., & Kumar, P. (2024). Kvanteteleportasjon som sameksisterer med klassisk kommunikasjon i optisk fiber. Optica, 11(12), 1700–1707. https://doi.org/10.1364/OPTICA.11.001700}