Bilde: Richard Horvath/Unsplash
- Kvanteforviklinger er fortsatt et emne for fysikkforskning, men også en del av kommersielle teknologier og spiller en hovedrolle i kvanteinformasjonsprosesseringsindustrien.
- Nobelprisen i fysikk 2022 anerkjente arven etter Alain Aspect fra Frankrike, John F. Clauser fra USA og østerrikeren Anton Zeilinger sitt arbeid med kvanteforviklinger.
- Den kanskje mest kjente kvantekommunikasjonsapplikasjonen er kvantenøkkeldistribusjon, som lar noen sikkert distribuere krypteringsnøkler.
- Quantum entanglement lover også å øke medisinsk bildebehandling gjennom optisk sensing og høyoppløselig radiofrekvensdeteksjon, som også kan forbedre GPS-posisjonering.
Uhackbare kommunikasjonsenheter, høypresisjons-GPS og høyoppløselig medisinsk bildebehandling har alle noe til felles. Disse teknologiene – noen under utvikling og noen allerede på markedet – er alle avhengige av det ikke-intuitive kvantefenomenet sammenfiltring.
To kvantepartikler, som par av atomer eller fotoner, kan bli viklet inn. Det betyr at en egenskap til en partikkel er knyttet til en egenskap til den andre, og en endring av en partikkel påvirker umiddelbart den andre partikkelen, uavhengig av hvor langt fra hverandre de er. Denne korrelasjonen er en nøkkelressurs innen kvanteinformasjonsteknologi.
For det meste er kvanteforviklinger fortsatt et emne for fysikkforskning, men det er også en del av kommersielt tilgjengelige teknologier, og det spiller en hovedrolle i det nye kvantemet. Informasjonsbehandling industri.
Pionerer
Nobelprisen i fysikk i 2022 anerkjente den dype arven etter Alain Aspect fra Frankrike, John F. Clauser fra USA og østerrikeren Anton Zeilinger sitt eksperimentelle arbeid med kvanteforviklinger, som personlig har berørt meg siden starten av min karriere som fysiker. Anton Zeilinger var mentor for min doktorgradsmentor, Paul Flowersom i stor grad påvirket avhandlingen min om eksperimentell forståelse av dekoherens i fotonisk sammenfiltring.
Dekoherens oppstår når miljøet samhandler med et kvanteobjekt – i dette tilfellet et foton – for å slå det ut av kvantetilstanden av superposisjon. I superposisjon, er et kvanteobjekt isolert fra miljøet og eksisterer i en merkelig blanding av to motsatte tilstander samtidig, som et myntkast som lander som både hode og hale. Superposisjon er nødvendig for at to eller flere kvanteobjekter skal bli viklet inn.
Kvanteforviklinger er et kritisk element i prosessering av kvanteinformasjon, og fotonisk sammenfiltring av den typen som ble utviklet av Nobelprisvinnerne er avgjørende for å overføre kvanteinformasjon. Kvanteforviklinger kan brukes til å bygge storskala kvantekommunikasjonsnettverk.
På en vei mot langdistanse kvantenettverk demonstrerte Jian-Wei Pan, en av Zeilinger sine tidligere studenter, og kollegaer forviklingsdistribusjon til to steder atskilt med 1203 km på jorden via satellittoverføring. Imidlertid er direkte overføringshastigheter av kvanteinformasjon begrenset pga tapnoe som betyr at for mange fotoner blir absorbert av materie i transitt, så ikke nok når destinasjonen.
Entanglement er avgjørende for å løse denne veisperringen, gjennom den begynnende teknologien til kvanterepeatere. En viktig milepæl for tidlige kvanterepeatere, kalt entanglement swapping, ble demonstrert av Zeilinger og medarbeidere i 1998. Entanglement-bytte knytter ett av to par sammenfiltrede fotoner, og vikler derved inn de to opprinnelig uavhengige fotonene, som kan være langt fra hverandre.
Kvantebeskyttelse
Den kanskje mest kjente kvantekommunikasjonsapplikasjonen er kvantenøkkeldistribusjon (QKD), som lar noen distribuere krypteringsnøkler på en sikker måte. Hvis disse nøklene lagres riktig, vil de være sikre, selv fra fremtidige kraftige, kodeknusende kvantedatamaskiner.
Mens det første forslaget til QKD ikke eksplisitt krevde sammenfiltring, ble en forviklingsbasert versjon senere foreslått. Kort tid etter dette forslaget kom den første demonstrasjonen av teknikken, gjennom luften over kort avstand på en bordplate. De første demonstrasjonene av entangement-basert QKD ble publisert av forskningsgrupper ledet av sjømann, Blomst og Nicolas Gisin ble publisert i samme nummer av Fysiske gjennomgangsbrev i mai 2000.
Disse sammenfiltringsbaserte distribuerte nøklene kan brukes til å dramatisk forbedre kommunikasjonssikkerheten. En første viktig demonstrasjon i denne retningen var fra Zeilinger-gruppen, som drev en bank bankoverføring i Wien, Østerrike, i 2004. I dette tilfellet var de to halvdelene av QKD-systemet lokalisert ved hovedkvarteret til en stor bank og Wiens rådhus. De optiske fibrene som bar fotonene ble installert i Wiens kloakksystem og strakte seg over 1,45 km.
Forviklinger til salgs
I dag er det en håndfull selskaper som har kommersialisert kvantenøkkeldistribusjonsteknologi, inkludert min gruppes samarbeidspartner Qubitekk, som fokuserer på en forviklingsbasert tilnærming til QKD. Med et nyere kommersielt Qubitekk-system demonstrerte kollegene mine og jeg sikker kommunikasjon med smartnett i Chattanooga, Tennessee.
Kvantekommunikasjon, databehandling og sanseteknologi er av stor interesse til militær- og etterretningsmiljøene. Kvanteforviklinger lover også å øke medisinsk bildebehandling gjennom optisk sansing og høy oppløsning radiofrekvensdeteksjon, som også kan forbedre GPS-posisjonering. Det er til og med et selskap som forbereder seg på å tilby sammenfiltring-som-en-tjeneste ved å gi kunder nettverkstilgang til sammenfiltrede qubits for sikker kommunikasjon.
Det er mange andre kvanteapplikasjoner som har blitt foreslått og som ennå ikke er oppfunnet som vil bli muliggjort av fremtidige sammenfiltrede kvantenettverk. Kvantedatamaskiner vil kanskje ha den mest direkte innvirkningen på samfunnet ved å muliggjøre direkte simulering av problemer som ikke skalerer godt på konvensjonelle digitale datamaskiner. Generelt produserer kvantedatamaskiner komplekse sammenfiltrede nettverk når de er i drift. Disse datamaskinene kan ha stor innvirkning på samfunnet, alt fra å redusere energiforbruket til å utvikle personlig skreddersydd medisin.
Til slutt lover sammenfiltrede kvantesensornettverk muligheten til å måle teoretiserte fenomener, som mørk materie, som ikke kan sees med dagens konvensjonelle teknologi. Kvantemekanikkens merkelighet, belyst gjennom tiår med fundamentalt eksperimentelt og teoretisk arbeid, har gitt opphav til en ny spirende global kvanteindustri.
Nicholas Peters er felles fakultetsmedlem, University of Tennessee.
Denne artikkelen ble publisert på nytt fra Samtalen.