Verstrikt licht, kwantumgeld

In de afgelopen jaren heeft de Oostenrijkse natuurkundige Anton Zeilinger verstrengelde fotonen van satellieten in een baan om de aarde laten stuiteren en heeft hij 60-atoom fullereen-moleculen in kwantumsuperpositie laten bestaan ​​- in wezen als een uitstrijkje van al hun mogelijke posities en energietoestanden in de lokale ruimte-tijd. Nu hoopt hij dezelfde stunt uit te proberen met bacteriën die honderden keren groter zijn. Ondertussen heeft Hans Mooij van de Technische Universiteit Delft, samen met Seth Lloyd, die leiding geeft aan het Centre for Extreme Quantum Information Theory van MIT, kwantumtoestanden gecreëerd (die optreden wanneer deeltjes of systemen van deeltjes op elkaar worden gesuperponeerd) op schalen ver boven het kwantumniveau door het construeren van een supergeleidende lus, zichtbaar voor het menselijk oog, die een superstroom draagt ​​waarvan de elektronen gelijktijdig met de klok mee en tegen de klok in lopen, en zo dienst doen als een kwantumcomputercircuit.

Twee knooppunten van een kwantumnetwerk dat Caltech-onderzoekers creëerden door verstrengelde fotonen te stoppen binnen twee ensembles van cesiumatomen die zijn ondergebracht in een ultrahoogvacuümsysteem. Het tijdelijk opslaan van verstrengeling biedt een basis voor de opslag van kwantumgegevens, wat nuttig kan zijn voor verschillende toepassingen, waaronder kwantumcryptografie.

De natuurkundige Richard Feynman kwam in 1981 met het idee van quantum computing om het informatieverwerkingspotentieel van atomen, fotonen en elementaire deeltjes te benutten. Inmiddels is het veld zo ver gevorderd dat onderzoekers niet alleen de natuurkunde kunnen manipuleren voor ongekende experimentele effecten, maar ook commerciële toepassingen hebben voorgesteld.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van september 2009

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Maar voordat technologieën zoals kwantumcommunicatie, informatica en metrologie hun potentieel kunnen realiseren - een kwantuminternet en niet-vervalsbaar geld zijn twee interessante mogelijkheden - moeten kwantumnetwerken gegevens kunnen verzenden en opslaan. De kwantumopticagroep van het California Institute of Technology heeft aan dit doel gewerkt. Het team staat onder leiding van H. Jeff Kimble, Valentine Professor of Physics, die in 1998 leiding gaf aan de inspanning die de eerste ondubbelzinnige teleportatie van de kwantumtoestand van een foton tot stand bracht - dat wil zeggen, de informatie weergegeven door zijn spin, energie en dergelijke - naar een ander foton . Nu hebben Kimble en zijn team een ​​manier aangetoond om verstrengeling in netwerken te creëren - de niet-lokale relatie die kwantumteleportatie mogelijk maakt, wat Einstein sceptisch afwees als spookachtige actie op afstand.

Net zoals de beweging van elektronen in microprocessorcircuits gegevens verzendt binnen de computers van vandaag, zou de teleportatie van kwantumtoestanden tussen verstrengelde deeltjes die taak uitvoeren in kwantumnetwerken. Wat betreft gegevensopslag, zegt Kyung Soo Choi, een onderzoeker in Kimble's groep, een centrale vraag die een van hun recente experimenten heeft opgelost, was: hoe zet je verstrengeld licht om in een verstrengeling van materie en weer terug in licht? Verstrengelde toestanden zijn kwetsbaar, en netwerken van verstrengeld licht zullen herhalende apparaten nodig hebben - net zoals langeafstandsglasvezelnetwerken opto-elektronische herhalende apparaten nodig hebben om afnemende signalen te regenereren. Daarom moet verstrengeling worden gegenereerd en opgeslagen in subsystemen van componenten binnen een groter kwantumnetwerk. Nu hebben Kimble en zijn team een ​​technische oplossing voor het probleem aangetoond.

BRONNEN:
Functionele kwantumknooppunten voor verstrengelingsdistributie over schaalbare kwantumnetwerken
Chin-Wen Chou, Julien Laurat, Hui Deng, Kyung Soo Choi, Hugues de Riedmatten, Daniel Felinto en H. Jeff Kimble
Wetenschap 316: 1316-1320 (2007)

Fotonische verstrengeling in en uit een kwantumgeheugen in kaart brengen
K. S. Choi, H. Deng, J. Laurat en H. J. Kimble
Natuur 452: 67-71 (2008).

Het Caltech-team gebruikte twee ensembles van cesiumatomen waarvan ze de toestand met een laser beïnvloedden, waardoor ze transparant of ondoorzichtig werden om de snelheden van binnenkomende fotonen te manipuleren. De onderzoekers splitsten vervolgens enkele fotonen, plaatsten ze in superpositie - dat wil zeggen, ze maakten deel uit van dezelfde kwantumgolffunctie en dus verstrengeld - terwijl ze ervoor zorgden dat ze zich langs twee paden in de twee cesium-ensembles voortplantten. Choi legt uit: We vertraagden het licht tot een kruip en stopten het in de materie door de controlelaser uit te schakelen die de cesium-ensembles transparant maakte, dus de kwantuminformatie - het verstrengelde licht - werd opgeslagen in de atomaire ensembles. Door de controlelaser opnieuw te activeren, versnelden we de fotonen tot normale snelheid, waardoor de bundels van verstrengeld licht werden hersteld. Tot nu toe hebben de Caltech-onderzoekers verstrikking in materie opgeslagen voor een tijdspanne van één microseconde. Kimble schat dat hij en zijn team dat kunnen uitbreiden tot 10 microseconden.

Kimble heeft een hoofse Texaanse herenmanier, zoals ik ontdekte nadat zijn labmanager hem 15 minuten op het schema vond na twee weken waarin de natuurkundige weg was en presentaties gaf op vier conferenties op twee continenten. Die 15 minuten werden een tutorial over recente technische vooruitgang bij het verifiëren en kwantificeren van verstrengeling. Meting is het centrale probleem in de kwantummechanica, aangezien elk deeltje of systeem alleen in een kwantumtoestand bestaat totdat een ander systeem, of het nu zo klein is als een verdwaald luchtmolecuul of zo complex als een menselijke waarnemer, er informatie over verkrijgt en daardoor die toestand instort . Dit is geestverruimend diepzinnig spul. Afgezien van het bespreken van kwantummetrologie, maakte Kimble echter een gemakkelijk te begrijpen bewering: de technische basis van onze samenleving is informatiehandel. In de komende 20 jaar zal kwantuminformatiewetenschap - een samensmelting van informatica en kwantummechanica die 20 jaar geleden niet bestond - die handel radicaal veranderen.

De revolutionaire technologie die Kimble voor ogen heeft, zijn grote kwantumnetwerken, die lijken op internet, maar gebaseerd zijn op verstrengeling. Welke inherente voordelen zouden de ontwikkeling en acceptatie van dergelijke netwerken bevorderen?

Substantiële. Kwantumnetwerken zijn al op beperkte schaal gebouwd. In 2004 werd 's werelds eerste permanente kwantumcryptografiesysteem geactiveerd in Cambridge, MA, waarbij Harvard, Boston University en DARPA-aannemer BBN Technologies (voorheen bekend als Bolt Beranek en Newman, onder welke naam het bedrijf het oorspronkelijke ARPAnet creëerde) met elkaar werden verbonden. Tegenwoordig bieden id Quantique, een Zwitsers bedrijf, en MagiQ Technologies, een Amerikaans bedrijf, commerciële modules aan die optische vezels gebruiken om kwantumsleutels te verzenden, in de vorm van fotonen die zijn gecodeerd als bits door hun polarisatie te regelen, over beperkte afstanden die uitkomen op ongeveer 100 kilometer. Aangezien een poging tot onderschepping van deze lichtdeeltjes hun toestand zou verstoren en afluisteren zou blootleggen, bieden dergelijke kwantumcryptografische systemen absolute gegevensbeveiliging.

Bovendien was het vooruitzicht van kwantumcomputing de eerste aanzet voor onderzoek naar kwantumnetwerken. Als dergelijk computergebruik serieus kan worden gedaan (tot nu toe hebben experimenten maximaal zeven qubits of kwantumbinaire cijfers gebruikt), belooft het de klassieke computer in belangrijke opzichten te overtreffen. Scott Aaronson, een MIT-expert op het gebied van computationele complexiteit, noemt het algoritme dat in 1994 werd gepubliceerd door MIT-wiskundige Peter Shor als de doorbraak die bewees dat kwantumcomputing een levensvatbare propositie was door aan te tonen dat het in redelijke rekentijd zeer grote getallen kon berekenen. Omdat die taak verder ging dan klassieke computers, was de meeste cryptografie met openbare sleutels tot nu toe gebaseerd op het ontbinden van grote getallen. Maar het zou kwetsbaar zijn voor cryptanalyse op basis van kwantumcomputers. Zoals Aaronson zegt: daarom is de National Security Agency geïnteresseerd in quantum computing. Kwantumcryptografie zou echter gegevensbeveiliging bieden tegen het breken van kwantumcodes en tegen reguliere cryptanalyse.

Naast het waarborgen van de veiligheid van gegevens, zouden de quantum wide-area repeater-netwerken, of QWAN's, die Kimble in gedachten heeft, weinig van de latentieproblemen van de huidige netwerken hebben - sterker nog, ze zouden zo bijna onmiddellijk kunnen zijn als de lichtsnelheid toelaat. Bovendien zou het exponentiële parallellisme dat kwantumcomputers zijn kracht zou geven - met twee verstrengelde deeltjes of qubits, die vier verschillende waarden vertegenwoordigen, vier qubits 16 waarden, enzovoort - van toepassing moeten zijn op netwerken van kwantumcomputerapparatuur. Kimble zegt: Hoewel er een zo groot mogelijke omvang zal zijn voor de toestandsruimte van individuele kwantumverwerkingseenheden, zal het mogelijk zijn om dat te overtreffen door die eenheden aan elkaar te koppelen tot een volledig kwantumnetwerk. De toestandsruimte van een kwantumcomputer is het volledige scala aan potentiële toestanden waarin de computer zou kunnen bestaan. Wanneer een kwantumalgoritme wordt uitgevoerd, stort dit computationele proces die toestandsruimte in en verkleint het bereik van mogelijke toestanden van de computer tot één: het juiste antwoord op het gegeven probleem. Met een netwerk van kwantumcomputers, beweert Kimble, zou de exponentiële rekenkracht van elk apparaat exponentieel worden vermenigvuldigd.

Seth Lloyd van MIT heeft nagedacht over de ontwerpopties voor kwantumnetwerken. Hij zegt dat netwerken die gebruikmaken van cesiumatoom-ensembles een van de meest veelbelovende technologieën zijn voor het transporteren van kwantuminformatie over lange afstanden. Toch is de ensemble-aanpak relatief omvangrijk, en hoe groter een kwantumsysteem, hoe groter de problemen voor de computer. Lloyd zegt dat circuitgebaseerde benaderingen zoals supergeleidende lussen beter schaalbaar zijn binnen een kleine ruimte, met mogelijk grote aantallen qubits op één printplaat. Maar dergelijke systemen zijn ongeschikt voor communicatie. Kimble en ik hebben samengewerkt aan concepten met individuele atomen in plaats van ensembles, zegt hij. Als we informatie zouden kunnen verplaatsen tussen atomaire ensembles en individuele ionen en ionenvallen, dan is dat een schaalbare kwantumtechnologie. Een aannemelijk scenario lijkt volgens Lloyd het gebruik van ensembles voor communicatie en de meer gelokaliseerde, schaalbare kwantumapparaten, zoals de supergeleidende lussen of de ionenvallen, voor berekeningen.

Dus Kimble heeft een redelijk argument dat kwantumnetwerken haalbaar zijn. En de voordelen die hij voor ogen heeft - absolute gegevensbeveiliging, geen latentie en een verdere exponentiële winst in rekenkracht - zouden nauwelijks te verwaarlozen zijn in de wereld van informatiehandel.

Sommige commerciële toepassingen van kwantuminformatietechnologie liggen redelijk voor de hand. Menselijke aandelenhandelaren zijn gaan vertrouwen op de geautomatiseerde handelsprogramma's die bekend staan ​​als hoogfrequente handelaren (HFT's). Op sommige dagen genereren deze meer dan de helft van het volume op de New York Stock Exchange. Grote handelsinstellingen hebben miljoenen uitgegeven aan het ontwikkelen van hun algoritmen om marktgegevens te analyseren en grote aantallen transacties uit te voeren volgens strategieën die meestal geavanceerde variaties zijn op het kopen van microseconden nadat sommige gegevens zijn binnengekomen en het vervolgens verkopen van microseconden later ten koste van andere handelaren die dat wel konden. t krijgen de gegevens in of hun transacties zo snel uit. Futures-handelaren die vrijwel onmiddellijke kwantumnetwerken gebruiken, zullen duidelijke voordelen hebben ten opzichte van degenen die dat niet doen.

Ook andere commerciële toepassingen zijn mogelijk. Scott Aaronson suggereerde een van hen in een paper genaamd Quantum Copy-Protection and Quantum Money. Hij merkte op dat kwantumtoestanden niet kunnen worden gekopieerd omdat elk meetproces ze vernietigt, wat de mogelijkheid vergroot om kwantumtoestanden als niet-kloneerbare informatie te gebruiken. Om deze mogelijkheid te benutten, moet het feit worden omzeild dat kwantumtoestanden tijdens meting instorten en ten eerste (voor doeleinden van kwantumgeld) niet-kloneerbare toestanden worden gecreëerd die als authentiek kunnen worden geverifieerd, en ten tweede (voor doeleinden van kwantumkopieerbeveiliging), niet-kloneerbare toestanden die zouden toch toestaan ​​dat de beveiligde software, dvd's, cd's, enzovoort worden gebruikt. Aaronson toonde aan dat ten minste één type openbaar verifieerbaar kwantumgeld en twee regelingen voor op kwantum gebaseerde kopieerbeveiliging theoretisch haalbaar zijn, waardoor voor het eerst de mogelijkheid wordt vergroot van absoluut onvervalsbaar geld en onoverkomelijke bescherming van digitale rechten.

De eerste generatie geld ontstond met de uitvinding van munten in Lydië, bijna 3.000 jaar geleden, de tweede generatie met de papieren wissels uitgegeven door de banken van Renaissance Italië, en de derde met elektronisch geld en de virtuele economie van de moderne tijd. Als wetenschappers als Kimble en Aaronson gelijk hebben, kunnen kwantumnetwerken binnenkort aanleiding geven tot een nieuwe generatie geld.

Mark Williams is een bijdragende redacteur van: Technologie recensie.

zich verstoppen