Internettets kvantespring: teleportering

Af Torben Okholm, Alt om Data

Denne artikel er oprindeligt bragt på Alt om Data. Computerworld overtog i november 2022 Alt om Data. Du kan læse mere om overtagelsen her.

Forestil dig et netværk, der i stedet for at bruge lysimpulser til at sende signaler, bruger lysfotonernes indbyggede egenskaber. Dette er et kvantenetværk, og det er afhængigt af noget, som Einstein ikke var særlig glad for, nemlig kvantesammenfiltring, eller som det i international forskning ofte kaldes på engelsk: quantum entaglement.

Sammenfiltring skal forstå sådan, at eksempelvis et par kvantepartikler, for eksempel fotoner (lys) bliver forbundet så tæt til hinanden, at når du måler kvantetilstanden hos den ene, kender du straks tilstanden hos den anden uanset, hvor langt fra hinanden de er. Overfører du information på denne måde, kaldes det kvante-teleportering. I teorien vil det kunne opbygge fremtidens internet – måske – og hvis vi er dygtige nok.

Blandt de smarte er kandidatstuderende  Samantha Davis og Dr. Raju Valivarthi, som arbejder på afdelingen for fysik, matematik og astronomi ved California Institute of Technology, også kaldet Caltech. I 2020 offentliggjorde de to en artikel, som beskriver, hvordan de ved hjælp af ”moderne, støjsvage og superledende nanotråds-enkeltfoton-detektorer” havde teleporteret qubits (kvantebits) med en bølgelængde, der almindeligvis anvendes i telekommunikation. Vel at mærke med en nøjagtighed på 90 procent. 

Med en fejlprocent på 10 er de naturligvis ikke i mål, selvom der arbejdes på det. Hvad der måske er mest interessant ved de to forskeres arbejde på Caltech er måden, hvorpå det anvender almindelige netværkskomponenter og kan indarbejdes i nutidens internet.

Alice sender en qubit

Samantha Davis forklarer det på følgende måde:

”Lad os sige, at Alice vil sende en qubit til Bob. Problemet er, at vi vil sende det over optisk fiber, tilmed gennem den ledige plads. Dermed opstår et stort tab, da qubits er meget, meget følsomme over for deres miljø. De skal holdes isolerede, ellers mister de deres værdi. Dette er et stort problem, hvis du vil oprette et skalerbart netværk. Du kan dog bruge kvante-teleportering, som udnytter kvantesammenfiltring til at gøre afsendelse af qubits over længere afstande muligt.”

Samantha Davis uddyber teorien ved at indsætte en tredjeperson, hun kalder Charlie.

”Charlie er halvvejs mellem Alice og Bob. Via disse tre noder sender Alice sin qubit kodet i en foton til Charlie. Bob opretter et par sammenfiltrede fotoner, holder på én og sender én til Charlie. Nu har Bob andel i det sammenfiltrede par fotoner. Charlie har Alices foton og den anden fra Bob. Charlie udfører en særlig måling kaldet Bell State-måling på de to partikler, han har, og sender resultaterne til Bob, der bruger informationen fra Charlie til at genskabe Alice’s qubit. Alice sendte kun sin foton halvvejs, men informationen blev sendt over den dobbelte afstand. Altså teleportering af information,” siger Samantha Davis.

Umiddelbart lyder det, som om overførslen bevæger sig hurtigere end lys, hvilket ikke bør være muligt ifølge fysikkens love. Det er dog heller ikke det, forskerne gør.

“Du kommunikerer på klassisk vis, så vi overtræder ikke nogen af lovene”, understreger Samantha Davis.

Dr. Raju Valivarthi tilføjer:

”Et kvanteinternet har flere noder med en eller anden form for kvanteinformationskraft. De er alle forbundet, hvilket gør dem i stand til at kommunikere kvanteinformation mellem hinanden. Bliver vi i stand til det, kan vi gøre nogle seje ting.”

Valivarthi giver et eksempel på, hvordan det kan foregå i praksis og med meget større sikkerhed end i dag: 

”Lad os antage, at noderne er virkelig langt væk i en by eller en slags netværk. Denne form for kommunikation er sikker. Ingen kan hacke det,” fortæller Valivarthi.

Dansk kvantecomputer

Også på Danmarks Tekniske Universitet forsker man i området og har for nylig bygget en ny kvantecomputer.

Det mest sikre netværk

Kvantenetværk er i sagens natur sikre, fordi ethvert forsøg på at aflytte ændrer det signal, der modtages i den anden ende. Hvis dine oplysninger ender hos modtageren, og der mangler eller er ændret noget, kan du være sikker på, at nogen ”lytter” med. 

”Mens vi (med klassisk kryptering) stoler på noget, der er meget svært, men ikke fysisk umuligt at hacke, for eksempel beregning af enorme primtal, vil vi med denne form for kvantekommunikation støtte os til noget, som er fysisk umuligt at bryde,” siger Samantha Davis.

”Så længe kvantemekanikkens love gælder, har vi opnået sikker kommunikation. Kvanteteori er den mest testede, fysiske teori, så vi er ret optimistiske.”

De to forskeres arbejde kan dog bruges til meget andet end at holde nysgerrige væk fra vores data.

”Vi forestiller os, at man kan have et netværk af teleskoper, som på samme måde er forbundet med hinanden,” siger Samantha Davis.

”Det vil forbedre vores muligheder for at registrere astronomiske signaler. Der er et tæt forhold mellem kvantemekanik og tyngdekraft, så der er forslag fremme om et rum-til-jord-netværk, så du kan studere tyngdekraftens virkninger på qubits.”

Spørgsmålet er blandt andet så, hvilken effekt tyngdekraften har på en qubit; altså de små, irriterende kvantebits, der kan være både 1 eller 0 eller begge på samme tid, og som er afgørende for, at kvanteberegning fungerer? 

”Vi ved det ikke nøjagtigt,” indrømmer Samantha Davis.

”Her er vi ude ved grænsen, men det er blevet foreslået, at effekten af den krumme rumtid kan påvirke graden af sammenfiltringen.”

Dette lyder som teknologier på linje med nuklear fusion eller kvantecomputerne selv, der altid er 10 år eller mere ude i fremtiden. Kvantenetværk er dog meget tættere på, mener de to forskere.

”Lige nu ligger de typiske kvantekommunikationseksperimenter inden for en rækkevidde på 50 til 100 kilometer via fiberoptik. Vi har brug for kvante-repeatere for at skalere op. Vi har foreslået en plan for at oprette grundlaget for et kvante-internet, der forbinder de 17 nationale laboratorier i USA. Vores forsøgsopstillinger kommer til at være en del af det,” siger Dr. Valivarthi.

Eksempel på testudstyr hos Caltech for at skabe kvante-teleportering.
Med særlig software analyserer studenten Samantha Davis nøjagtigheden af realtids-dataoverførsel via Caltechs kvanteteleporterings-netværk, Cqnet.