Teleportieren zu einem Quanten-Internet

The Quantum Internet | Stephanie Wehner | TEDxVienna (March 2019).

Anonim

Die Quantenphysik ist ein Feld, das den Wissenschaftlern Superkräfte zu geben scheint. Diejenigen, die die Welt der extrem kleinen oder kalten Teilchen verstehen, können mit ihnen erstaunliche Leistungen vollbringen - einschließlich Teleportation -, die die Realität zu verbiegen scheinen.

Die Wissenschaft hinter diesen Leistungen ist kompliziert und bestand bis vor kurzem nicht außerhalb der Laboreinstellungen. Aber das ändert sich: Forscher haben begonnen, Quanten-Teleportation in realen Kontexten zu implementieren. Dies könnte die moderne Telefon- und Internetkommunikation revolutionieren und zu hochsicherem, verschlüsseltem Messaging führen.

Ein Artikel, der in Nature Photonics veröffentlicht wurde und von Ingenieuren des Jet Propulsion Laboratory der NASA, Pasadena, Kalifornien, verfasst wurde, beschreibt die ersten Experimente mit Quantenteleportation in einem metropolitanen Glasfaserkabelnetzwerk. Zum ersten Mal wurde das Phänomen in der städtischen Infrastruktur über weite Strecken beobachtet. In Kanada teleportierten Forscher der University of Calgary den Quantenzustand eines Photons mehr als 6 Kilometer in "dunkle" (unbenutzte) Kabel unter der Stadt Calgary. Das ist ein neuer Rekord für die längste Entfernung der Quantenteleportation in einem realen metropolitanen Netzwerk.

Während in der Vergangenheit größere Entfernungen aufgezeichnet wurden, wurden diese im Labor durchgeführt, wo Photonen durch Kabelspulen abgefeuert wurden, um den Signalverlust durch große Entfernungen zu simulieren. Diese neueste Serie von Experimenten in Calgary testete die Quantenteleportation in der tatsächlichen Infrastruktur, was einen großen Fortschritt für die Technologie darstellt.

"Die Demonstration von Quanteneffekten wie Teleportation außerhalb einer Laborumgebung bringt eine ganze Reihe neuer Herausforderungen mit sich. Dieses Experiment zeigt, wie diese Herausforderungen bewältigt werden können und ist somit ein wichtiger Meilenstein für das zukünftige Quanteninternet", sagte Francesco Marsili die JPL Co-Autoren. "Die Quantenkommunikation erschließt einige der einzigartigen Eigenschaften der Quantenmechanik, um zum Beispiel Informationen mit höchster Sicherheit auszutauschen oder Quantencomputer miteinander zu verbinden."

Photonensensoren für das Experiment wurden von Marsili und Matt Shaw vom Microdevices Laboratory von JPL zusammen mit Kollegen am National Institute of Standards and Technology, Boulder, Colorado, entwickelt. Ihre Expertise war entscheidend für die Experimente: Die Quantenvernetzung erfolgt mit Photonen und erfordert einige der empfindlichsten Sensoren der Welt, um genau zu wissen, was mit dem Teilchen passiert.

"Die von JPL- und NIST-Forschern entwickelte supraleitende Detektorplattform ermöglicht es, einzelne Photonen bei Telekommunikationswellenlängen mit nahezu perfekter Effizienz und nahezu ohne Rauschen zu detektieren. Dies war mit früheren Detektortypen einfach nicht möglich, so Experimente wie unsere, die bestehende Glasfaser-Infrastruktur nutzend, wäre ohne die Detektoren von JPL fast unmöglich gewesen ", sagte Daniel Oblak vom Institut für Quantenwissenschaft und Technologie der Universität von Calgary.

Safer E-Mails mit Quantenphysik

Schrumpf auf die Ebene eines Photons und die Physik beginnt nach bizarren Regeln zu spielen. Wissenschaftler, die diese Regeln verstehen, können zwei Partikel "verschränken", so dass ihre Eigenschaften verknüpft sind. Verschränkung ist ein verblüffendes Konzept, bei dem Partikel mit unterschiedlichen Eigenschaften oder Zuständen über den Raum hinweg miteinander verbunden werden können. Das heißt, was auch immer sich auf den Zustand eines Partikels auswirkt, beeinflusst den anderen, selbst wenn sie sich in einem Abstand voneinander befinden.

Hier kommt die Teleportation ins Spiel. Stellen Sie sich vor, Sie haben zwei verschränkte Teilchen - nennen wir sie Photon 1 und Photon 2 - und Photon 2 wird an einen entfernten Ort gesendet. Dort trifft es auf Photon 3 und die beiden interagieren miteinander. Der Zustand von Photon 3 kann auf Photon 2 übertragen werden und automatisch zu dem verschränkten Zwilling Photon 1 "teleportiert" werden. Dieser körperlose Transfer geschieht trotz der Tatsache, dass Photonen 1 und 3 niemals zusammenwirken.

Diese Eigenschaft kann verwendet werden, um geheime Nachrichten sicher auszutauschen. Wenn zwei Menschen ein verschränktes Paar von Photonen teilen, kann Quanteninformation in einer körperlosen Art und Weise übertragen werden, was einen Lauscher mit nichts abzufangen und so unfähig macht, die geheime Nachricht zu lesen.

Teleportation bedeutet, die Entfernung zu gehen

Dieses System der hochsicheren Kommunikation wird in einer Reihe von Bereichen getestet, sagte Marsili, einschließlich der Finanzindustrie und Agenturen wie der NASA, die ihre Weltraumdatensignale schützen wollen. Die von Marsili, Shaw und ihren NIST-Kollegen entwickelten supraleitenden Einzelphotonendetektoren sind dabei ein Schlüsselwerkzeug, da das Senden von Photonen über große Entfernungen unweigerlich zum "Verlust" des Signals führt. Selbst wenn ein Laser im Weltraum verwendet wird, diffundiert das Licht über die Entfernung und schwächt die Leistung des übertragenen Signals.

Der nächste Schritt ist der Aufbau von Repeatern, die den Zustand eines Photons weiter von einem Ort zum nächsten teleportieren können. Genauso wie Repeater verwendet werden, um andere Telekommunikationssignale über große Entfernungen zu übertragen, könnten sie dazu verwendet werden, verschränkte Photonen zu teleportieren. Überempfindliche Photonendetektoren würden es Repeatern ermöglichen, verschränkte Photonen im ganzen Land zu senden. Für die weltraumbezogene Kommunikation wären Repeater nicht einmal nötig; Photonen könnten schließlich mithilfe von Lasern in den Weltraum geschossen werden, und Photonenzustände könnten von der Erde teleportiert werden.

In den Calgary-Experimenten wurden keine Repeater verwendet, die hauptsächlich dazu dienen sollten, zu klären, wie die Quantenteleportation außerhalb des Labors durchgeführt werden kann. Die Forscher nutzten die dunklen Fasern der Stadt - ein einziges optisches Kabel, durch das keine Elektronik oder Netzwerkgeräte fließen.

"Durch den Einsatz moderner supraleitender Detektoren können wir einzelne Photonen nutzen, um sowohl klassische als auch Quanteninformationen vom Weltraum bis zum Boden effizient zu übertragen", so Shaw. "Wir planen, modernere Versionen dieser Detektoren für Demonstrationen der optischen Kommunikation aus dem Weltraum und der Quantenteleportation von der Internationalen Raumstation zu verwenden."

menu
menu