“Quantum Internet” kommer tættere på takket være udviklingen af ​​datateleportering

Fra Santa Barbara, Californien til Hefei, Kina, udvikler forskere en ny type computer, der vil få moderne biler til at ligne legetøj.

Ved at bruge kvantemekanikkens mystiske kræfter vil teknologien udføre opgaver på få minutter, som selv supercomputere ikke har været i stand til at udføre i tusinder af år. I efteråret 2019 introducerede Google eksperimentel kvantecomputer vise, at det er muligt. To år senere, et laboratorium i Kina gjorde næsten det samme.

Men kvantecomputere vil ikke være i stand til at realisere sit potentiale uden hjælp fra endnu et teknologisk gennembrud. Kald det “kvanteinternettet”, et computernetværk, der kan overføre kvanteinformation mellem fjernmaskiner.

På Delft University of Technology i Holland har en gruppe fysikere taget et væsentligt skridt mod dette fremtidens computernetværk ved at bruge en teknik kaldet kvanteteleportation til at sende data til tre fysiske lokationer. Det plejede at være muligt med kun to.

Et nyt eksperiment viser, at forskere kan strække kvantenetværket til flere og flere steder. “Nu bygger vi små kvantenetværk i laboratoriet,” sagde Ronald Hanson, en Delft-fysiker, der fører tilsyn med holdet. “Men ideen er til sidst at bygge et kvanteinternet.”

Deres undersøgelse, udgivet i denne uge med artikel publiceret i det videnskabelige tidsskrift Nature, demonstrerer kraften i et fænomen, som Albert Einstein engang anså for umuligt. Kvanteteleportation – hvad han kaldte “uhyggelig handling på afstand” – kan overføre information mellem lokationer uden faktisk at flytte det fysiske stof, der indeholder det.

Denne teknologi har potentialet til at revolutionere den måde, data overføres fra sted til sted. Det er baseret på over et århundredes forskning i kvantemekanik, det fysikfelt, der styrer det subatomare område og opfører sig anderledes end noget, vi møder i hverdagen. Kvanteteleportering flytter ikke kun data mellem kvantecomputere, men gør det på en sådan måde, at ingen kan opsnappe det.

“Dette betyder ikke kun, at en kvantecomputer kan løse dit problem, men også at den ikke ved, hvad problemet er,” sagde Tracey Eleanor Northup, forsker ved Institut for Eksperimentel Fysik ved Universitetet i Innsbruck, som også studerer kvanteteleportation. ”I dag fungerer det ikke sådan. Google ved, hvad du bruger på dine servere.”

En kvantecomputer udnytter nogle objekters mærkelige adfærd, hvis de er meget små (som en elektron eller en lyspartikel) eller meget kolde (som et eksotisk metal, der er afkølet til næsten det absolutte nul eller minus 460 grader Fahrenheit). I disse situationer kan et objekt opføre sig samtidigt som to separate objekter.

Traditionelle computere udfører beregninger ved at behandle “bits” af information, hvor hver bit indeholder enten et 1 eller 0. Ved at bruge kvantemekanikkens mærkelige opførsel kan en kvantebit eller qubit lagre en kombination af 1’ere og 0’ere – lidt som en spinning mønten rummer den lokkende mulighed, at den vil komme op enten med hoveder eller haler, når den endelig lander fladt på bordet.

Det betyder, at to qubits kan lagre fire værdier på samme tid, tre qubits kan lagre otte, fire kan lagre 16, og så videre. Efterhånden som antallet af qubits vokser, bliver en kvantecomputer eksponentielt mere kraftfuld.

Forskere mener, at disse enheder en dag kan fremskynde skabelsen af ​​nye lægemidler, fremskynde udviklingen af ​​kunstig intelligens og bryde straks krypteringen, der beskytter computere, der er afgørende for den nationale sikkerhed. Rundt om i verden bruger regeringer, akademiske laboratorier, startups og teknologigiganter milliarder af dollars på at udforske denne teknologi.

I 2019 Google annonceret at hans maskine opnåede, hvad videnskabsmænd kalder “kvanteoverherredømme”, hvilket betyder, at den kunne udføre en eksperimentel opgave, som ikke var mulig med traditionelle computere. Men de fleste eksperter mener, at der vil gå mindst et par år endnu, før en kvantecomputer rent faktisk kan gøre noget nyttigt, som du ikke kan med en anden maskine.

En del af problemet er, at qubitten går i stykker eller “dekoherer”, hvis man læser information fra den – det bliver en almindelig bit, der kun kan lagre 0 eller 1, men ikke begge dele. Men ved at forbinde mange qubits sammen og udvikle måder at beskytte mod dekohærens, håber forskerne at skabe maskiner, der er både kraftfulde og praktiske.

I sidste ende, ideelt set, bør de være forbundet i netværk, der kan overføre information mellem noder, så de kan bruges hvor som helst, på samme måde som cloud computing-tjenester fra Google og Amazon gør computerkraft bredt tilgængelig i dag.

Men dette kommer med sine egne problemer. På grund af til dels dekohærens kan kvanteinformation ikke blot kopieres og sendes over et traditionelt netværk. Alternativet er kvanteteleportation.

Selvom det ikke kan flytte objekter fra sted til sted, kan det flytte information ved hjælp af en kvanteegenskab kaldet “sammenfiltring”: en ændring i tilstanden af ​​et kvantesystem påvirker øjeblikkeligt tilstanden af ​​et andet, fjerntliggende.

“Når du er viklet ind, kan du ikke længere beskrive disse tilstande separat,” sagde Dr. Northup. “I bund og grund er det nu ét system.”

Disse sammenfiltrede systemer kan være elektroner, lyspartikler eller andre genstande. I Holland brugte Dr. Hanson og hans team et såkaldt nitrogen-vacancycenter, et lille tomt rum i syntetisk diamant, hvor elektroner kan fanges.

Holdet byggede tre af disse kvantesystemer, kaldet Alice, Bob og Charlie, og forbandt dem i en linje med optiske fiberstrenge. Forskerne var derefter i stand til at forvirre disse systemer ved at sende individuelle fotoner, partikler af lys, mellem dem.

Først viklede forskerne to elektroner ind – den ene tilhører Alice, den anden tilhører Bob. I det væsentlige blev elektronerne tildelt det samme spin og dermed forbundet eller viklet ind i en delt kvantetilstand, der hver lagrer den samme information: en specifik kombination af 1’er og 0’er.

Forskerne kunne derefter overføre denne kvantetilstand til en anden qubit, en kulstofkerne, inde i Bobs syntetiske diamant. Dette frigjorde Bobs elektron, og forskerne kunne derefter forveksle den med en anden elektron tilhørende Charlie.

Ved at udføre en specifik kvanteoperation på begge Bobs qubits – en elektron og en kulstofkerne – var forskerne så i stand til at lime de to sammenfiltringer sammen: Alice plus Bob limet til Bob plus Charlie.

Resultat: Alice blev viklet ind i Charlie, hvilket tillod data at blive teleporteret på tværs af alle tre noder.

Når data flyttes på denne måde uden faktisk at rejse afstanden mellem noder, kan de ikke gå tabt. “Information kan føres ind på den ene side af en forbindelse og derefter vises på den anden,” sagde Dr. Hanson.

Oplysninger kan heller ikke opsnappes. Fremtidens kvanteinternet, baseret på kvanteteleportation, kunne give en ny form for kryptering, som er teoretisk ubrydelig.

I det nye eksperiment var netværksknuderne ikke så langt fra hinanden – kun omkring 60 fod fra hinanden. Men tidligere eksperimenter har vist, at kvantesystemer kan vikles ind over lange afstande.

Det er håbet, at efter et par års forskning vil kvanteteleportation blive levedygtig i mange kilometer. “Nu prøver vi at gøre det uden for laboratoriet,” sagde Dr. Hanson.

Leave a Comment