Forskere har nettopp lagt hjørnesteinen for vår kvanteinternettfremtid


Dagens internett er ikke det kommunikasjonens siste grense. Fysikere har laget en ny metode for kommunikasjon der informasjon kan sendes om det som kalles en “hvor mye internett,” et nettverk av kvanteenheter som leverer hypersikker kommunikasjon, ultranøyaktig tidtaking og dusinvis av andre applikasjoner som forskere ikke en gang kan begynne å forutse. Å prøve er som å forvente at Alan Turing skal forutsi TikTok.

Forskere fra QuTech — et samarbeid mellom Delft University of Technology og den nederlandske organisasjonen for anvendt vitenskapelig forskning, som bygde verdens første kvantenettverk i fjorpubliserte gjennombruddet i en avis i journalen Natur på onsdag. Teamet vellykket sendt kvanteinformasjon mellom to ikke-naboende noder (tenk: kvanterutere) ved å bruke et konsept som lenge har vært diskutert av kvantefysikere og Star Trek både fans: teleportering.

“Teleportering er som det du kjenner fra science fiction,” avisens medforfatter, Ronald Hansonforteller Omvendt. Hanson er en eksperimentell fysiker, medgründer av QuTech, og en fremtredende professor ved Delft University of Technology. “Informasjonen forsvinner på min side og vises på din side, men den beveger seg ikke mellom oss … Det er en ekstremt kraftig metode for å sende informasjon.”

Denne evnen til å teleportere er det som fundamentalt danner et kvantenettverk – den dype fysikken som holder hele greia sammen. Uten muligheten til å overføre informasjon via teleportering, ville kvanteinternettet ikke vært mulig. Imidlertid er denne “teleporteringen” ikke akkurat beslektet med å utslette kaptein Kirks atomer bare for å rematerialisere dem på en nyoppdaget klasse-M planet. Dette er ikke organisk materiale vi snakker om – det er informasjon, eller mer spesifikt, kvantebiter (eller kvantebiter).

Dagens internett bruker biter, en kombinasjon av 0-er og 1-er, for å danne alt på nettet – inkludert denne nettsiden. Qubits er 0-er og 1-er som eksisterer samtidig i en tilstand som kalles “superposisjon”, som muliggjør kvantedatamaskiner som kan svare på komplekse matematiske problemer på minutter som vil ta en kraftig superdatamaskin 10 000 år å finne ut.

Kvanteinternettet er også iboende sikkert, fordi qubits er avhengige av de fysiske egenskapene til fotoner i stedet for sårbar kode, så de kan ikke fanges opp. Med andre ord er det nesten umulig å hacke kvantemeldinger.

Så hvor passer teleportering inn? For å utnytte det fulle potensialet til kvantedatamaskiner, må de kobles sammen i nettverk, men qubits kan ikke sendes på samme måte som tradisjonelle biter. Mens bits beveger seg via lys (fiberoptiske kabler) eller radiobølger, brytes fotoner som bærer qubits raskt ned ved å bruke de samme metodene. Dessuten, fordi qubits ikke kan forsterkes eller kopieres (“klonet” som kvantefysikere liker å si), kan signalet heller ikke forsterkes. Så forskere fant en annen måte å sende kvanteinformasjon ved å bruke teleportering, alt brakt til deg av det mystiske fenomenet kjent som kvanteforviklinger.

Kvantesammenfiltring er når to partikler er iboende knyttet sammen, så når du leser den ene, vet du umiddelbart tilstanden til den andre – enten det er i neste rom eller den neste galaksen. Dette grunnleggende kvanteprinsippet er et så mysterium at til og med Albert Einstein, en førsteklasses fysiker, og en smart fyr, slengte opp hendene og bare beskrev det som “skummel handling på avstand.” Men på grunn av denne «skummel handling», hvis et nettverk kunne etablere sammenfiltring over store avstander, for eksempel fra USA til Kina, kunne qubits teleportere uten å miste noen troskap.

“Hele prosessen med teleportering har ikke en klassisk analog … det er ikke noe slikt,” sier Hanson. “Det er forviklingen som gjør hele denne prosessen mulig.”

Måten kvanteteleportering fungerer på er enkel og kompleks på samme tid (som bare kvantemekanikk kan være), og denne studien viser hvordan teleportering i et kvanteinternett fungerer i miniatyr. I studien teleporterte QuTech-forskere informasjon mellom tre noder. Informasjon ble sendt fra node C, eller Charlie, til et annet punkt kalt node A, eller Alice. For å gjøre det brukte forskerne en mellommann, node B eller Bob.

Først blir Alice og Bob viklet inn over en optisk kabel ved å bruke kvanteprosessorene deres, og Bob lagrer denne sammenfiltrede tilstanden på det som kalles en “minne-qubit”. Bob vikler seg deretter inn med Charlie, og ved å bruke det QuTech kaller en “kvantemekanisk grep,” utfører Bob en spesiell måling på prosessoren sin og bytter sammenfiltringen med Charlie til Alice-forviklingen som er lagret på minne-qubiten. Alice og Charlie deler nå en sammenfiltret tilstand, men dette er ikke slutten på prosessen – Scotty har nettopp varmet opp teleportøren.

Charlie forbereder deretter kvantebiten som skal teleporteres og utfører til slutt en felles måling med meldingen og dens sammenfiltrede tilstand med Alice. Det er her den sanne kraften til kvanteinternettet kommer inn. Når informasjonen forsvinner på Charlies side, dukker den umiddelbart opp på Alices side. Etter litt kvantedekryptering er informasjonen nå tilgjengelig.

Selv om kvanteinternett vil oppnå teknologiske underverker som er umulige etter dagens standarder, er det usannsynlig at alle våre bærbare datamaskiner og iPhones en dag bare vil bli “kvante”.

“De fleste tror ikke kvanteinternett vil erstatte internett,” sier Hanson. I stedet ser han for seg en fremtid der vårt klassiske internett og kvanteinternett fungerer sammen – med kvanteteleportere i standby når du for eksempel trenger å sende en ekstra sikker kommunikasjon, eller hvis du har å gjøre med annen svært sensitiv informasjon. Men å streame den nyeste Netflix-binge vil sannsynligvis fortsatt være en jobb for ditt standard, løpende internett.

Selv om QuTech-studien kun fokuserte på et enkelt nettverk med tre noder, sier Hanson at ideen kan utvides til å inkludere så mange noder som nødvendig. Neste fase av forskningen er å teste metoden utenfor laboratoriet og teleportere informasjon på lengre avstander. Det er bare begynnelsen på prosessen med å skalere opp teknologien som vil styrke kvantekommunikasjonsæraen.