Indviklet lys, kvantepenge

I de senere år har den østrigske fysiker Anton Zeilinger kastet sammenfiltrede fotoner ud af satellitter i kredsløb og fået 60-atom fulleren-molekyler til at eksistere i kvantesuperposition - i det væsentlige som en udtværing af alle deres mulige positioner og energitilstande på tværs af lokal rumtid. Nu håber han at prøve det samme stunt med flere hundrede gange større bakterier. I mellemtiden har Hans Mooij fra Delft University of Technology sammen med Seth Lloyd, der leder MIT's Center for Extreme Quantum Information Theory, skabt kvantetilstande (som opstår, når partikler eller systemer af partikler overlejres) på skalaer langt over kvanteniveauet ved at konstruere en superledende sløjfe, synlig for det menneskelige øje, som bærer en superstrøm, hvis elektroner løber samtidigt med uret og mod uret, og derved tjener som et kvanteberegningskredsløb.

To knudepunkter af et kvantenetværk, som Caltech-forskere skabte ved at standse sammenfiltrede fotoner inden for to ensembler af cæsiumatomer anbragt i et ultrahøjt vakuumsystem. Midlertidig lagring af entanglement giver grundlag for kvantedatalagring, som kan være nyttig til forskellige applikationer, herunder kvantekryptografi.

Fysikeren Richard Feynman foreslog ideen om kvanteberegning i 1981 for at udnytte informationsbehandlingspotentialet i atomer, fotoner og elementarpartikler. Nu er feltet nået tilstrækkeligt langt til, at forskere ikke kun er i stand til at manipulere fysik til hidtil usete eksperimentelle effekter, men har foreslået kommercielle anvendelser.

Denne historie var en del af vores september 2009-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Men før teknologier som kvantekommunikation, computing og metrologi kan realisere deres potentiale – et kvanteinternet og uforfalskede penge er to interessante muligheder – skal kvantenetværk være i stand til at transmittere og lagre data. Kvanteoptikgruppen ved California Institute of Technology har arbejdet hen imod dette mål. Holdet ledes af H. Jeff Kimble, Valentine-professor i fysik, som ledede indsatsen i 1998, der opnåede den første utvetydige teleportering af en fotons kvantetilstand – det vil sige informationen repræsenteret ved dens spin, energi og sådan – til en anden foton . Nu har Kimble og hans team demonstreret en måde for sammenfiltring – det ikke-lokale forhold, der tillader kvanteteleportation, som Einstein skeptisk afviste som uhyggelig handling på afstand – at blive skabt i netværk.

Ligesom bevægelsen af ​​elektroner i mikroprocessorkredsløb transmitterer data i nutidens computere, ville teleporteringen af ​​kvantetilstande mellem sammenfiltrede partikler udføre denne opgave i kvantenetværk. Hvad angår datalagring, siger Kyung Soo Choi, en forsker i Kimbles gruppe, et centralt spørgsmål, som et af deres seneste eksperimenter løste, var: Hvordan konverterer man indviklet lys til en sammenfiltring af stof og tilbage til lys? Sammenfiltrede tilstande er skrøbelige, og netværk af sammenfiltret lys vil kræve gentagne enheder - på samme måde som langdistance fiberoptiske netværk kræver optoelektroniske gentagne enheder for at regenerere aftagende signaler. Derfor skal sammenfiltring genereres og lagres i komponentundersystemer inden for et større kvantenetværk. Nu har Kimble og hans team demonstreret en teknisk løsning på problemet.

RESSOURCER:
Funktionelle kvanteknuder til entanglement-distribution over skalerbare kvantenetværk
Chin-Wen Chou, Julien Laurat, Hui Deng, Kyung Soo Choi, Hugues de Riedmatten, Daniel Felinto og H. Jeff Kimble
Videnskab 316: 1316-1320 (2007)

Kortlægning af fotonisk sammenfiltring ind i og ud af en kvantehukommelse
K.S. Choi, H. Deng, J. Laurat og H.J. Kimble
Natur 452: 67-71 (2008).

Caltech-teamet brugte to ensembler af cæsiumatomer, hvis tilstande de påvirkede med en laser, hvilket gjorde dem enten gennemsigtige eller uigennemsigtige efter behov for at manipulere indkommende fotoners hastigheder. Forskerne opdelte derefter enkelte fotoner og satte dem i superposition - det vil sige, de var en del af den samme kvantebølgefunktion og dermed sammenfiltrede - mens de sikrede, at de forplantede sig langs to veje ind i de to cæsiumensembler. Choi forklarer: Vi bremsede lyset til en gennemgang og stoppede det inde i stoffet ved at deaktivere kontrollaseren, der gjorde cæsiumensemblerne gennemsigtige, så kvanteinformationen – det sammenfiltrede lys – blev lagret inde i atomensemblerne. Ved at genaktivere kontrollaseren accelererede vi fotonerne til normal hastighed, hvilket genskabte strålerne af sammenfiltret lys. Indtil videre har Caltech-forskerne lagret sammenfiltring i stof i spænd på et mikrosekund. Kimble vurderer, at han og hans team kan forlænge det til 10 mikrosekunder.

Kimble besidder en høflig Texas-herremaner, som jeg opdagede, efter at hans laboratoriechef fandt ham 15 minutter på skemaet efter to uger, hvor fysikeren var væk og holdt præsentationer på fire konferencer på to kontinenter. Disse 15 minutter blev en tutorial om de seneste tekniske fremskridt i at verificere og kvantificere sammenfiltring. Måling er det centrale problem i kvantemekanikken, eftersom enhver partikel eller system kun eksisterer i en kvantetilstand, indtil et andet system, uanset om det er så lille som et herreløse luftmolekyle eller så komplekst som en menneskelig observatør, får information om det og derved kollapser denne tilstand. . Det her er åndssvage abstrude ting. Bortset fra at diskutere kvantemetrologi fremsatte Kimble dog en let forståelig påstand: Vores samfunds tekniske base er informationshandel. I de næste 20 år vil kvanteinformationsvidenskab – en fusion af datalogi og kvantemekanik, der ikke eksisterede for 20 år siden – radikalt ændre denne handel.

Den revolutionerende teknologi, som Kimble forestiller sig, er store kvantenetværk, der ligner internettet, men er afhængige af sammenfiltring. Hvilke iboende fordele ville fremme udviklingen og adoptionen af ​​sådanne netværk?

Væsentlige. Kvantenetværk er allerede blevet bygget i begrænset skala. I 2004 blev verdens første permanente kvantekryptografisystem aktiveret i Cambridge, MA, der forbinder Harvard, Boston University og DARPA-entreprenøren BBN Technologies (tidligere kendt som Bolt Beranek og Newman, under hvilket navn virksomheden skabte det originale ARPAnet). I dag tilbyder id Quantique, et schweizisk firma, og MagiQ Technologies, et amerikansk, kommercielle moduler, der bruger optisk fiber til at transmittere kvantenøgler, i form af fotoner kodet som bits ved at kontrollere deres polarisering, over begrænsede afstande, der topper ved omkring 100 kilometer. Da forsøg på aflytning af disse lyspartikler ville forstyrre deres tilstand og afsløre aflytning, tilbyder sådanne kvantekryptografisystemer absolut datasikkerhed.

Desuden var udsigten til kvanteberegning det, der gav den indledende impuls til forskning i kvantenetværk. Hvis sådan databehandling kan udføres seriøst (indtil videre har eksperimenter højst brugt syv qubits eller kvante-binære cifre), lover det at overgå klassisk databehandling i væsentlige henseender. Scott Aaronson, en MIT-ekspert i beregningsmæssig kompleksitet, citerer algoritmen offentliggjort i 1994 af MIT-matematiker Peter Shor som det gennembrud, der beviste, at kvanteberegning var et levedygtigt forslag ved at demonstrere, at det kunne tage højde for meget store tal inden for rimelig regnetid. Fordi denne opgave har været ud over klassiske computere, har det meste af kryptografi med offentlige nøgler hidtil været baseret på faktorisering af store tal. Men det ville være sårbart over for kryptoanalyse baseret på kvanteberegning. Som Aaronson siger, det er derfor, National Security Agency er interesseret i kvanteberegning. Kvantekryptografi ville dog tilbyde datasikkerhed mod kvantekodebrud såvel som mod almindelig krypteringsanalyse.

Udover at sikre datasikkerheden, ville de kvante-wide-area repeater-netværk eller QWAN'er, som Kimble har i tankerne, have få af de nuværende netværks latensproblemer - faktisk kunne være så næsten øjeblikkelige, som lyshastigheden tillader. Desuden burde den eksponentielle parallelisme, der ville give kvanteberegning dens kraft - med to sammenfiltrede partikler eller qubits, der repræsenterer fire forskellige værdier, fire qubits 16 værdier, og så videre - gælde for netværk af kvanteberegningsenheder. Kimble siger: Selvom der vil være en størst mulig størrelse for tilstandsrummet for individuelle kvantebehandlingsenheder, vil det være muligt at overgå det ved at forbinde disse enheder til et fuldt kvantenetværk. En kvantecomputers tilstandsrum er hele rækken af ​​potentielle tilstande, hvori computeren kunne eksistere. Når en kvantealgoritme køres, kollapser denne beregningsproces dette tilstandsrum og krymper computerens række af mulige tilstande ned til en enkelt: det rigtige svar på det givne problem. Med et netværk af kvantecomputere, hævder Kimble, ville hver enheds eksponentielle beregningskraft multipliceres eksponentielt.

MITs Seth Lloyd har gjort sig nogle tanker om designmulighederne for kvantenetværk. Han siger, at netværk, der bruger cæsium-atom-ensembler, er en af ​​de mest lovende teknologier til transport af kvanteinformation over lange afstande. Alligevel er ensemble-tilgangen relativt omfangsrig, og jo større et kvantesystem, desto større er problemerne for computere. Lloyd siger, Kredsløbsbaserede tilgange som superledende sløjfer er mere skalerbare inden for et lille rum med potentielt et stort antal qubits på et printkort. Men sådanne systemer er uegnede til kommunikation. Kimble og jeg har samarbejdet om koncepter ved at bruge individuelle atomer i stedet for ensembler, siger han. Hvis vi kunne flytte information mellem atomare ensembler og individuelle ioner og ionfælder, er det en skalerbar kvanteteknologi. Et plausibelt scenarie, ifølge Lloyd, synes at være at bruge ensembler til kommunikation og de mere lokaliserede, skalerbare kvanteenheder, som de superledende sløjfer eller ionfælderne, til beregning.

Så Kimble har et rimeligt argument for, at kvantenetværk er gennemførlige. Og de fordele, som han forestiller sig – absolut datasikkerhed, ingen latenstid og en yderligere eksponentiel gevinst i beregningskraft – ville næppe være ubetydelige i informationshandelens verden.

Nogle kommercielle anvendelser af kvanteinformationsteknologi er ret indlysende. Menneskelige aktiehandlere er kommet til at stole på de computeriserede handelsprogrammer kendt som højfrekvente handlende (HFT'er). På nogle dage genererer disse mere end halvdelen af ​​volumen på New York Stock Exchange. Store handelsinstitutioner har brugt millioner på at udvikle deres algoritmer til at analysere markedsdata og udføre et stort antal handler i henhold til strategier, der for det meste er sofistikerede variationer på at købe mikrosekunder efter nogle data ankommer og derefter sælge mikrosekunder senere på bekostning af andre handlende, der kunne t få dataene ind eller deres handler ud så hurtigt. Futures-handlere, der bruger næsten øjeblikkelige kvantenetværk, vil have klare fordele i forhold til dem, der ikke gør.

Andre kommercielle applikationer er også mulige. Scott Aaronson foreslog en af ​​dem i et papir kaldet Quantum Copy-Protection and Quantum Money. Han observerede, at kvantetilstande ikke kan kopieres, fordi enhver måleproces ødelægger dem, hvilket øger muligheden for at bruge kvantetilstande som uklonerbar information. Udnyttelse af denne mulighed vil kræve at omgå det faktum, at kvantetilstande kollapser under måling, og for det første skabes (med henblik på kvantepenge), uklonbare tilstande, der kan verificeres som autentiske, og for det andet (med henblik på kvantekopibeskyttelse), uklonbare tilstande, der ville tillade stadig den beskyttede software, dvd'er, cd'er og så videre at blive brugt. Aaronson demonstrerede, at mindst én type offentligt verificerbare kvantepenge og to ordninger til kvantebaseret kopibeskyttelse er teoretisk gennemførlige - hvilket for første gang nogensinde øger muligheden for absolut uforfalskede penge og uoverstigelig beskyttelse af digitale rettigheder.

Den første generation af penge dukkede op med opfindelsen af ​​mønter i Lydia for næsten 3.000 år siden, dens anden generation med papirvekseler udstedt af bankerne i renæssancens Italien, og dens tredje med elektroniske penge og den moderne æras virtuelle økonomi. Hvis videnskabsmænd som Kimble og Aaronson har ret, kan kvantenetværk snart give anledning til en yderligere generation af penge.

Mark Williams er en medvirkende redaktør til Teknologigennemgang.

skjule