Fremtiden for kvantekommunikasjon: Forklaring av enkeltfoton‑teleportasjon

Hva er kvante‑teleportasjon og hvordan fungerer den?

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

Dette skjer når to forskjellige partikler blir «parret/bundet» 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 ser det til og med ut som om 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 heftig debattert av kvantefysikere. Imidlertid vet vi at dette er en svært reell og målbar kvanteeffekt som kan tillate perfekt sikre og øyeblikkelige kommunikasjoner.

Den nåværende tilstanden til kvante‑teleportasjonsteknologi

Gjennombrudd som muliggjør praktisk kvantedatatransfer

Nylig har det blitt gjort fremskritt for å utnytte kvante‑sammenfiltring og teleportasjon til praktiske metoder for dataoverføring.

Et fremskritt var oppdagelsen av at et vanlig optisk fiber‑nettverk kunne brukes til oppgaven, selv når det blandes med vanlig internett‑trafikk. Dette åpner muligheten for praktisk kvante‑telekommunikasjon uten å måtte bygge et dedikert parallelt nettverk til det normale som nå brukes.

Et annet fremskritt er muligheten til å nettverke kvante‑datamaskiner sammen. Oxford‑forskerne brukte optiske fibre for å koble sammen qubits og få dem til å bli sammenfiltrede, ved hjelp av fotoner (lyspartikler). Dette kan åpne veien for modulære kvante‑datamaskiner, med hver delenhet koblet sammen.

Til slutt, QNodeOS, et operativsystem for kvanteberegninger, vil gi den programvarebasen som trengs for å drive et slikt nettverk av kvante‑datamaskiner.

Begrensninger og utfordringer ved kvante‑teleportasjon

De fleste kvante‑teleportasjonsenheter som for tiden vurderes er av den «lineære» typen, hvor fotonene overføres direkte fra punkt A til punkt B.

Dette er ofte problematisk, da denne typen fotonoverføring iboende legger til støy i signalet, noe som potensielt kan få telekommunikasjonen til å svikte, eller i det minste bli mindre effektiv.

Et annet problem er at de fleste fotonkilder ikke vil produsere et enkelt fotonpar, noe som gjør det komplekst å fastslå sammenfiltring.

Spesielt er det vanlig at sammenfiltringskilder produserer mer enn ett enkelt fotonpar samtidig, noe som gjør det uklart om de to som brukes i teleportasjon virkelig er sammenfiltrede.

Hvordan ikke‑lineær optikk kan transformere kvantekommunikasjon

Et forskerteam ved University of Illinois kan ha laget en ny kilde til fotoner som radikalt vil forbedre ytelsen til kommunikasjon basert på kvante‑teleportasjon.

De publiserte sine resultater i Physical Review Letters¹, under tittelen “Trofast kvante‑teleportasjon via en nanofotonisk ikke‑lineær Bell‑tilstandsanalysator”.

Hovedideen er at denne teknikken bidrar til å redusere problemet med flere fotonutslipp, noe som gjør teknikken mer pålitelig takket være de underliggende prinsippene for ikke‑lineær optikk.

Forståelse av ikke‑lineær optikk i kvanteteknologi

Lineær optikk er den vanlige optikkvitenskapen som læres på skolen, hvor lyset for eksempel direkte interagerer med et prisme.

I ikke‑lineær optikk avhenger reaksjonen i mediet som lyset passerer gjennom av lysets bølgelengde, intensitet, retning og polarisation.

“Multifotonstøy forekommer i alle realistiske sammenfiltringskilder, og det er et alvorlig problem for kvantenettverk.

Appellen ved ikke‑lineær optikk er at den kan dempe effekten av multifotonstøy gjennom den underliggende fysikken, noe som gjør det mulig å arbeide med ufullkomne sammenfiltringskilder.

Elizabeth Goldschmidt – professor i fysikk ved Illinois

Nonlineære optiske komponenter får fotoner med forskjellige frekvenser til å kombinere og skape nye fotoner ved nye frekvenser. I dette spesifikke tilfellet ble “sum‑frekvens‑generering” (SFG) brukt.

Kilde: EKSPLA

Foton‑sammenslåing via sum‑frekvens‑generering (SFG)

Takket være sammenslåingen av fotoner som skjer under SFG, kan kun disse spesifikke fotonenes frekvenser brukes, noe som kraftig reduserer støyen fra flere fotoner som oppstår ved bruk av lineær optikk.

Kilde: SciTechDaily

Dette er ikke en ny idé, men problemet så langt har vært at å få SFG til å skje var så vanskelig at det aldri var nok fotoner til å være et praktisk middel for informasjonsoverføring.

“Forskere har kjent til dette i lang tid, men det ble ikke fullt utforsket på grunn av den lave sannsynligheten for vellykket SFG.

Tidligere var den beste oppnådde suksessraten 1 av 100 millioner. Vår prestasjon er å realisere en faktor på 10 000 økning i konverteringseffektivitet til 1 av 10 000 med en nanofotonisk plattform.

Kejie Fang – førsteamanuensis i elektroteknikk og datateknikk

Nye materialer som gjør ikke‑lineær kvante‑optikk gjennomførbar

Dette 10 000‑ganger økte effektiviteten gjør plutselig ikke‑lineær optikk til et levedyktig alternativ for å produsere fotonene som skal brukes til å overføre data gjennom måling av deres sammenfiltring.

Det ble oppnådd takket være et indium‑gallium‑fosfor‑materiale utviklet av forskerne.

“Vårt ikke‑lineære system overfører kvanteinformasjon med 94 % troverdighet, sammenlignet med den teoretiske grensen på 33 % for systemer som bruker lineære optiske komponenter,”

Kejie Fang – førsteamanuensis i elektroteknikk og datateknikk

Hva er neste steg for kvante‑teleportasjon og nettverksbygging?

Dette er foreløpig en svært teoretisk fremgang, i den forstand at det fullstendig endrer hvordan forskere må bygge kvante‑telekommunikasjonssystemer i fremtiden, siden alle nåværende kvantenettverksprotokoller (inkludert kvante‑teleportasjon og sammenfiltrings‑bytte) bruker lineær‑optisk design.

Kombinert med fremgangen som er gjort i overføring av sammenfiltrede fotoner i vanlige optiske fibernettverk, kan dette radikalt endre påliteligheten og effektiviteten til denne telekommunikasjonsmetoden, og bringe sammenkoblede kvante‑datamaskiner mye nærmere enn tidligere antatt mulig.

Investere i fanget‑ion‑kvanteberegning

Etter hvert som disse fremskrittene innen kvantekommunikasjon blir stadig mer levedyktige, posisjonerer selskaper som IonQ (IONQ ) seg for å kommersialisere teknologien.

IonQ er et kvanteberegningsselskap som bruker fanget‑ion‑teknologi, grunnlagt av pionerforskere innen feltet fra University of Maryland og Duke University. Selskapet ble børsnotert på NYSE i 2021.

IonQ sine kvanteberegningsplattformer kan oppnå 99,9 % troverdighet. Den bruker for tiden en kjede med 64 barium‑ioner, som produserer en 36‑algoritmisk qubit (AQ). Kjedeorganiseringen gjør beregningene mye raskere enn andre fanget‑ion‑design uten å miste troverdighet.

Kilde: IonQ

IonQ kjøpte opp Qubitekk i januar 2025, og la til sin virksomhet selskapets team og 118 patenter til IonQ. Qubitekk sin spesialitet er kvantenettverk, ved bruk av fotoniske interkonnektorer, som muliggjør kvanteklynger, og fremmer evnene til kvanteinternett.

Kvantenettverk bør legge til rette for svært sikre kommunikasjoner og til slutt muliggjøre distribuert kvanteberegning. Med tanke på hvor raskt feltet utvikler seg, kan ekspertise og immaterielle rettigheter på dette området vise seg avgjørende for IonQs fremtid.

IonQ utvikler også et partnerskap med NKT Photonics (NKT.CO) for å hjelpe med å utvikle fremtidige datacenters‑klare kvante‑datamaskiner.

Det samarbeider også med Imec om fotoniske integrerte kretser og chip‑skala ion‑felle‑teknologi for å skalere opp selskapets antall qubits, systemstørrelse og kostnader.

I stedet for å utvikle sin egen SDK (Software Development Kit), støtter selskapet alle de store samtidig, og inngår partnerskap med mange ledende selskaper for å utvikle nye kvanteberegningsapplikasjoner.

Kilde: IonQ

Sammen med sin konkurrent Quantinuum, en del av Honeywell (HON ), er IonQ nærmere å utvikle kommersielle kvante‑datamaskiner, med fokus på høy troverdighet, lavere antall qubits i fanget‑ion‑systemer.

IonQ er det nærmeste til en ren kvanteberegningsaksje for investorer som er mindre interessert i aktivitetene til andre ledere som Google, Intel, IBM eller Honeywell.

Den tidlige suksessen har hjulpet selskapet med å bygge et sterkt nettverk av partnerskap med andre innovatører innen kvanteberegning for å fortsette å drive teknologien fremover, med et nylig nytt fokus på nettverks‑koblede kvante‑datamaskiner.

Etter hvert som kvante‑sammenfiltrings‑telekommunikasjon blir stadig mer pålitelig, kan kombinasjonen av mange høypålitelige fanget‑ion‑kvante‑datamaskiner være et solid alternativ for den første kommersielle anvendelsen av denne teknologien.

IonQ‑aksjenyheter og siste utviklinger

Studierreferanse:

^{1. Joshua Akin, Yunlei Zhao, Paul G. Kwiat, Elizabeth A. Goldschmidt, and Kejie Fang.(2025) Trofast kvante‑teleportasjon via en nanofotonisk ikke‑lineær Bell‑tilstandsanalysator. Physical Review Letters134, 160802 https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.160802}