17. juni 2021

Kvanteteleportering

Kvantefysik:

Et af Science fiction genrens favoritemner handler om teleportering, det vil sige overførsel af fast stof fra et punkt til et andet uden at krydse det fysiske rum mellem dem – men er det overhovedet muligt? På Niels Bohr Institutet har man i mange år forsket i kvanteteleportering, og selvom man ikke kan sende et objekt eller en person fra en planet til en anden, så kan man alligevel noget inden for området.

Kvanteteleportering
Illustrationen viser et eksempel på Kvanteteleportering mellem en membran til venstre, og en cæsium atomsky til højre.

Fra klassisk information til kvanteinformation

Vi ved alle, at information kan sendes via internettet, radiokanaler og TV til mange brugere, men dette er kun muligt for det vi kan kalde klassisk information, der er let at kopiere. Vi læser, lytter og ser på forskellige medier hele tiden, men her adskiller den klassiske information sig fra kvanteinformation, idet at denne ikke kan kopieres.

 

Kvantefysikken kræver, at kvanteinformationen skal forsvinde ved afsenderstationen, og derefter dukke op igen i den modtagende ende, og at der kun kan være én afsender og én modtager til en perfekt overførsel.

Overførsel af kvanteinformation kræver særlige kanaler, og kvanteteleportering er vejen til at opnå en sådan overførsel. Det kræver faktisk to kanaler, en kvantekanal og en klassisk kanal. Den klassiske kanal kunne være en ledning eller en radiobølge.

En kvantekanal, der forbinder afsender og modtager, har til opgave at etablere en kvantesammenfiltring mellem afsender og modtager. Det kaldes Entanglement, og er et af de mest væsentlige elementer i kvanteverdenen. Kvantesammenfiltring er ikke nem at beskrive, fordi der ikke er noget sammenligneligt fra det vi kender i vores hverdag.

 

Kvantesammenfiltring gør, at afsender og modtager er forbundne, at når du måler på den ene, så får du al information om den anden. Denne forbindelse kan skabes med lys. I dette eksperiment sker det mellem en membran i den ene ende, og nogle atomer i den anden.

Kvantekanalen eller sammenfiltringen er også en nyttig funktion for langdistance-kvantekommunikation for et fremtidigt kvanteinternet.

    Kvanteteleportation

    Eksperimentet kort beskrevet:

    1. En lyspuls sendes til den mekaniske membran, hvilket skaber en sammenfiltring imellem lyset og membranen.
    2. Lyset, som er sammenfiltret med membranen, rejser herefter til atomerne, hvilket skaber en vekselvirkning imellem atomerne og lyset, der måles på en detektor.
    3. Der er nu skabt en måling, som forbinder membranen og atomerne. Denne måling bliver overført til en laser, som teleporterer kvantetilstanden fra atomerne til membranen.

    Vi vil således have skabt et ubrydeligt bånd imellem atomerne og membranen, hvor data kan overføres med 100% sikkerhed (kvantekryptering), fordi kvantesammenfiltringen mellem lyset og membranen vil bryde sammen, når lyset bliver målt imellem membranen og atomerne.

     

    Membran og Glascelle til Kvanteteleportering
    Membran og glascelle/beholder med cæsium atomer, der bliver brugt i Kvanteteleporterings-eksperimentet på Niels Bohr Institutet.

    Fremtidens kvanteinternet og kvantecomputer

    Hvis man ikke kan bruge kvanteteleportering til at flytte en person fra Jorden til Månen, hvad kan man så bruge den til?

     

     

    I det moderne samfund finder man fx  kryptering alle steder. Kryptering er vital for kommunikationssikkerheden, og vores infrastruktur i form af banker, efterretningstjeneste og energiforsyning etc. er sårbart, hvis de forkerte personer med onde hensigter får adgang til disse. Kryptering er altså vital for vores samfunds stabilitet.

    Den nuværende krypteringsform anses for sikker lige nu, men den vil få alvorlige problemer, når en fremtidig kvantecomputer er en realitet. Den  sikkerhed vi anser for tilstrækkelig i dag, vil være simpel at bryde for en kvantecomputer. 

    Teleporteringsprocessen er en af ​​hovedbyggestenene i det nye felt inden for kvanteinformation, hvor information kodes og behandles i kvantetilstande, (ikke i klassisk bit: 0 og 1) som for eksempel kan være en superposition af 0, 1, 2, osv. Meget kort fortalt betyder superposition, at en kvantetilstand kan være flere tilstande på én gang, hvor tilstanden først bliver tilkendegivet, når man måler den. Mere information om superposition kan findes på temasiden om Kvantecomputeren.

    Sådanne superpositioner kan overføre meget mere information end klassiske bits. En anden vigtig egenskab er, at information, som er overført via kvanteteleportering, er ubetinget sikker.

     

     

    Lys til transport - og fast stof til behandling af kvanteinformation

    Et fremtidens kvanteinternet vil involvere en kombination af lys (fotoner) og materiale/stof (Hukommelse, svarende til RAM i en computer). Man ved endnu ikke hvilket stof der egner sig bedst, og lige nu laves der verden over forsøg med en lang række forskellige materialer, både kunstigt skabte og naturlige materialer, for at finde det, der har de bedste egenskaber til opgaven.

    Lys bliver i dag brugt til deling af internet (fx fibernet), da lys er godt til deling af information over store afstande med lave tab. De samme egenskaber har lys også, når det gælder deling af kvanteinformation, hvilket gør lys til den bedste transportør af kvanteinformation. Det er til gengæld svært at lagre denne kvanteinformation i lys, da det er svært at holde lys fanget. Man har derfor brug for et materiale til brug for lagring. Det kunne være atomer eller lignende. Disse vil så kunne fungere som et lagringsmedie og behandler af kvanteinformationen, som er transporteret via lys.

    Karrieremuligheder: Hvad kan jeg blive som fysiker?

    Læs om Fysikuddannelsen på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet og Fysikuddannelsens opbygning.

    Se også: