Framtiden för kvantkommunikation: Enkelfotonteleportering förklarad

Vad är kvantteleportering och hur fungerar den?

Även om det låter som ett fantasifullt koncept från en science-fiction-film, är kvantteleportering faktiskt ett verkligt fenomen som har studerats i årtionden.

Detta sker när två olika partiklar “paras/sparas” ihop, något som kallas kvantintrassling.

I detta fall, när två partiklar är kopplade, oavsett avståndet mellan dem, utbyter de information över stora avstånd utan att fysiskt bära den. I vissa fall verkar det till och med som om informationsutbytet sker snabbare än ljusets hastighet, något som teoretiskt är omöjligt.

Hur det fungerar och vad det betyder för den grundläggande aspekten av vår verklighet debatteras fortfarande intensivt av kvantfysiker. Men vi vet att detta är en mycket verklig och mätbar kvanteffekt som kan möjliggöra perfekt säkra och omedelbara kommunikationer.

Det nuvarande tillståndet för kvantteleporteringsteknik

Genombrott som möjliggör praktisk kvantdatatransfer

Nyligen har framsteg gjorts för att utnyttja kvantintrassling och teleportering till praktiska metoder för att överföra data.

Ett framsteg var upptäckten att ett vanligt optiskt fibernätverk kan användas för uppgiften, även när det blandas med vanlig internettrafik. Detta öppnar möjligheten för praktisk kvanttelekommunikation utan att behöva bygga ett dedikerat parallellt nätverk till det normala som för närvarande används.

Ett annat framsteg är möjligheten att nätverka kvantdatorer tillsammans. Oxford-forskare använde optiska fibrer för att koppla ihop qubitar och få dem intrasslade, med hjälp av fotoner (ljuspartiklar). Det kan bana väg för modulära kvantdatorer, där varje delenhet är ansluten.

Slutligen, QNodeOS, ett operativsystem för kvantberäkningar, skulle tillhandahålla den mjukvarubasis som behövs för att driva ett sådant nätverk av kvantdatorer.

Begränsningar och utmaningar med kvantteleportering

De flesta kvantteleporteringsenheter som för närvarande betraktas är av den “linjära” typen, där fotonerna överförs direkt från punkt A till punkt B.

Detta är ofta problematiskt, eftersom denna typ av fotonöverföring per definition lägger till brus i signalen, vilket potentiellt kan få telekommunikationen att misslyckas, eller åtminstone bli mindre effektiv.

En annan fråga är att de flesta fotonkällor inte producerar ett enda fotonpar, vilket gör det komplext att bestämma intrassling.

Speciellt är det vanligt att intrasslingskällor producerar mer än ett enda par fotoner samtidigt, vilket gör det oklart om de två som används i teleporteringen verkligen är intrasslade.

Hur icke-linjär optik kan omvandla kvantkommunikation

Ett forskarlag vid University of Illinois kan ha skapat en ny källa av fotoner som radikalt förbättrar prestandan för kommunikation baserad på kvantteleportering.

De publicerade sina resultat i Physical Review Letters¹, under titeln “Faithful Quantum Teleportation via a Nanophotonic Nonlinear Bell State Analyzer”.

Huvudidén är att denna teknik hjälper till att minska problemet med multipel fotonutsläpp, vilket gör tekniken mer pålitlig tack vare de underliggande principerna för icke-linjär optik.

Förståelse av icke-linjär optik i kvantteknik

Linjär optik är den vanliga optikvetenskap som lärs ut i skolan, där ljuset exempelvis interagerar direkt med ett prisma.

I icke-linjär optik beror mediets reaktion på vilket ljuset passerar av ljusets våglängd, intensitet, riktning och polarisation.

“Multiphotonbrus uppstår i alla realistiska intrasslingskällor, och det är ett allvarligt problem för kvantnätverk.

Fördelen med icke-linjär optik är att den kan mildra effekten av multiphotonbrus genom den underliggande fysiken, vilket gör det möjligt att arbeta med ofullkomliga intrasslingskällor.”

Elizabeth Goldschmidt – professor i fysik vid Illinois

Icke-linjära optiska komponenter får fotoner med olika frekvenser att kombineras och skapa nya fotoner på nya frekvenser. I detta specifika fall användes “sum frequency generation” (SFG).

Källa: EKSPLA

Fotonförening via sumfrekvensgenerering (SFG)

Tack vare sammanslagningen av fotoner som sker under SFG kan endast dessa specifika fotoners frekvenser användas, vilket kraftigt minskar bruset från multipla fotoner som uppstår vid användning av linjär optik.

Källa: SciTechDaily

Detta är inte en ny idé, men problemet hittills har varit att få SFG att ske var så svårt att det aldrig fanns tillräckligt med fotoner för att vara ett praktiskt sätt att överföra information.

“Forskare har känt till detta under en lång tid, men det har inte utforskats fullt ut på grund av den låga sannolikheten för lyckad SFG.

Tidigare var det bästa som uppnåddes 1 på 100 miljoner. Vår prestation är att realisera en faktor på 10 000 ökning i omvandlingseffektivitet till 1 på 10 000 med en nanofotonisk plattform.”

Kejie Fang – docent i elektroteknik och datorteknik

Nya material som gör icke-linjär kvantoptik möjlig

Denna 10 000‑faldiga ökning i effektivitet gör plötsligt icke-linjär optik till ett genomförbart alternativ för att producera de fotoner som kommer att användas för att överföra data genom mätning av deras intrassling.

Det uppnåddes tack vare ett indium‑gallium‑fosforidmaterial som forskarna utvecklade.

“Vårt icke-linjära system överför kvantinformations med 94 % trohet, jämfört med den teoretiska gränsen på 33 % för system som använder linjära optiska komponenter,”

Kejie Fang – docent i elektroteknik och datorteknik

Vad blir nästa steg för kvantteleportering och nätverk?

Detta är för närvarande en mycket teoretisk framsteg, i den meningen att det fullständigt förändrar hur forskare måste bygga kvanttelekommunikationssystem i framtiden, eftersom alla nuvarande kvantnätverksprotokoll (inklusive kvantteleportering och intrasslingsutbyte) använder linjär-optisk design.

Kombinerat med de framsteg som gjorts i överföring av intrasslade fotoner i vanliga optiska fibernätverk, kan detta radikalt förändra tillförlitligheten och effektiviteten för denna telekommunikationsmetod, och föra sammanlänkade kvantdatorer mycket närmare än vad som tidigare ansågs möjligt.

Investera i fångad-jonkvantdatorer

När dessa framsteg inom kvantkommunikation blir allt mer genomförbara, positionerar företag som IonQ (IONQ ) sig för att kommersialisera teknologin.

IonQ är ett kvantdatorföretag som använder fångad-jon-teknik, grundat av banbrytande forskare inom området från University of Maryland och Duke University. Företaget börsnoterades på NYSE år 2021.

IonQ:s kvantdatorplattformar kan producera resultat med 99,9 % trohet. De använder för närvarande en kedja med 64 bariumjoner, vilket ger en 36‑algoritmisk qubit (AQ). Kedjeorganisationen möjliggör mycket snabbare beräkningar än andra fångade-jon‑designer utan att förlora trohet.

Källa: IonQ

IonQ förvärvade Qubitekk i januari 2025, vilket lade till företagets team och 118 patent till IonQ. Qubitekk:s specialitet är kvantnätverk, med fotoniska anslutningar, möjliggör kvantkluster och främjar kapaciteten för kvantinternet.

Kvantnätverk bör underlätta mycket säkra kommunikationer och i slutändan möjliggöra distribuerad kvantberäkning. Med tanke på hur snabbt området utvecklas kan expertis och immateriella rättigheter inom detta ämne bli avgörande för IonQ:s framtid.

IonQ utvecklar också ett partnerskap med NKT Photonics (NKT.CO) för att hjälpa till att utveckla framtida datacenterklara kvantdatorer.

Det samarbetar också med Imec på fotoniska integrerade kretsar och chip‑skala jonfångsteknik för att skala upp företagets qubit‑antal samt systemstorlek och kostnader.

Istället för att utveckla sin egen SDK (Software Development Kit) stödjer företaget alla de stora samtidigt och samarbetar med många ledande företag för att utveckla nya kvantdatorapplikationer.

Källa: IonQ

Tillsammans med sin konkurrent Quantinuum, en del av Honeywell (HON ), är IonQ närmare att utveckla kommersiella kvantdatorer, med fokus på hög trohet och färre qubit‑baserade fångade‑jon‑system.

IonQ är den närmaste aktien för ren kvantdator för investerare som är mindre intresserade av aktiviteterna hos andra ledare som Google, Intel, IBM eller Honeywell.

Dess tidiga framgång har hjälpt företaget att bygga ett starkt nätverk av partnerskap med andra innovatörer inom kvantdatorer för att fortsätta driva tekniken framåt, med ett nyligt återfokus på nätverkade kvantdatorer.

När kvantintrasslings‑telekommunikation blir allt mer pålitlig kan kombinationen av många hög‑tillförlitliga fångade‑jon‑kvantdatorer vara ett solidt alternativ för den första kommersiella tillämpningen av denna teknik.

IonQ‑aktienyheter och senaste utvecklingar

Studierreferens:

^{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}