Entangled Light, Quantum Money

Under de senaste åren har den österrikiske fysikern Anton Zeilinger studsat intrasslade fotoner från satelliter som kretsar runt och gjort att 60-atomiga fullerenmolekyler existerar i kvantsuperposition – i huvudsak som ett utstryk av alla deras möjliga positioner och energitillstånd över lokal rumtid. Nu hoppas han kunna prova samma jippo med hundratals gånger större bakterier. Samtidigt har Hans Mooij från Delft University of Technology, tillsammans med Seth Lloyd, som leder MIT:s Center for Extreme Quantum Information Theory, skapat kvanttillstånd (som uppstår när partiklar eller system av partiklar överlagras) på skalor långt över kvantnivån genom att konstruera en supraledande slinga, synlig för det mänskliga ögat, som bär en superström vars elektroner löper samtidigt medurs och moturs, och fungerar därigenom som en kvantberäkningskrets.

Två noder av ett kvantnätverk som Caltech-forskare skapade genom att stoppa intrasslade fotoner inom två ensembler av cesiumatomer inrymda i ett ultrahögt vakuumsystem. Att tillfälligt lagra entanglement ger en grund för kvantdatalagring, vilket kan vara användbart för olika applikationer, inklusive kvantkryptografi.

Fysikern Richard Feynman föreslog idén om kvantberäkning 1981 för att utnyttja potentialen för informationsbearbetning av atomer, fotoner och elementarpartiklar. Vid det här laget har området kommit så långt att forskare inte bara kan manipulera fysiken för oöverträffade experimentella effekter utan även har föreslagit kommersiella tillämpningar.

Den här historien var en del av vårt septembernummer 2009

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Men innan tekniker som kvantkommunikation, datorer och metrologi kan förverkliga sin potential – ett kvantinternet och oförfalskade pengar är två intressanta möjligheter – måste kvantnätverk kunna överföra och lagra data. Kvantoptikgruppen vid California Institute of Technology har arbetat mot detta mål. Teamet leds av H. Jeff Kimble, Valentine professor i fysik, som ledde 1998 års ansträngning som uppnådde den första otvetydiga teleporteringen av en fotons kvanttillstånd – det vill säga informationen som representeras av dess spinn, energi och sådant – till en annan foton . Nu har Kimble och hans team visat ett sätt för förveckling – det icke-lokala förhållandet som tillåter kvantteleportering, som Einstein skeptiskt avfärdade som spöklik action på distans – att skapas i nätverk.

På samma sätt som elektronernas rörelse i mikroprocessorkretsar överför data i dagens datorer, skulle teleporteringen av kvanttillstånd mellan intrasslade partiklar utföra den uppgiften i kvantnätverk. När det gäller datalagring, säger Kyung Soo Choi, en forskare i Kimbles grupp, en central fråga som ett av deras senaste experiment löste var: Hur omvandlar man intrasslat ljus till en intrassling av materia och tillbaka till ljus? Intrasslade tillstånd är ömtåliga, och nätverk av intrasslat ljus kommer att kräva repeterande enheter - på samma sätt som långväga fiberoptiska nätverk kräver optoelektroniska repeterande enheter för att återskapa minskande signaler. Därför kommer intrassling att behöva genereras och lagras i komponentdelsystem inom ett större kvantnätverk. Nu har Kimble och hans team visat en teknisk lösning på problemet.

RESURSER:
Funktionella kvantnoder för entanglementdistribution över skalbara kvantnätverk
Chin-Wen Chou, Julien Laurat, Hui Deng, Kyung Soo Choi, Hugues de Riedmatten, Daniel Felinto och H. Jeff Kimble
Vetenskap 316: 1316–1320 (2007)

Kartläggning av fotonisk intrassling in i och ut ur ett kvantminne
K.S. Choi, H. Deng, J. Laurat och H.J. Kimble
Natur 452: 67–71 (2008).

Caltech-teamet använde två ensembler av cesiumatomer vars tillstånd de påverkade med en laser, vilket gjorde dem antingen transparenta eller ogenomskinliga efter behov för att manipulera inkommande fotoners hastigheter. Forskarna delade sedan enstaka fotoner och placerade dem i superposition - det vill säga de var en del av samma kvantvågsfunktion och därmed intrasslade - samtidigt som de säkerställde att de fortplantade sig längs två vägar till de två cesiumensemblerna. Choi förklarar, Vi saktade ner ljuset till en krypning och stoppade det inuti materien genom att avaktivera kontrolllasern som gjorde cesiumensemblerna transparenta, så kvantinformationen – det intrasslade ljuset – lagrades inuti atomensemblerna. Genom att återaktivera kontrolllasern accelererade vi fotonerna till normal hastighet och återställde strålarna av intrasslat ljus. Hittills har Caltech-forskarna lagrat intrassling i materia under sträckor av en mikrosekund. Kimble uppskattar att han och hans team kan förlänga det till 10 mikrosekunder.

Kimble har ett hövligt Texas gentlemannasätt, som jag upptäckte efter att hans labbchef hittade honom 15 minuter på schemat efter två veckor när fysikern var borta, och gjorde presentationer på fyra konferenser på två kontinenter. Dessa 15 minuter blev en handledning om de senaste tekniska framstegen för att verifiera och kvantifiera förveckling. Mätning är det centrala problemet inom kvantmekaniken, eftersom varje partikel eller system existerar i ett kvanttillstånd endast tills ett annat system, vare sig det är så litet som en herrelös luftmolekyl eller så komplext som en mänsklig observatör, får information om det och därmed kollapsar det tillståndet. . Det här är häpnadsväckande abstru grejer. Bortsett från att diskutera kvantmetrologi, men Kimble gjorde ett lättfattligt påstående: Vårt samhälles tekniska bas är informationshandel. Under de kommande 20 åren kommer kvantinformationsvetenskap – en fusion av datavetenskap och kvantmekanik som inte fanns för 20 år sedan – att radikalt förändra den handeln.

Den revolutionerande teknik som Kimble föreställer sig är stora kvantnätverk, som liknar Internet men förlitar sig på intrassling. Vilka inneboende fördelar skulle främja utvecklingen och antagandet av sådana nätverk?

Väsentliga sådana. Kvantnätverk har redan byggts i begränsad skala. År 2004 aktiverades världens första permanenta kvantkryptografisystem i Cambridge, MA, och länkade samman Harvard, Boston University och DARPA-entreprenören BBN Technologies (tidigare känd som Bolt Beranek och Newman, under vilket namn företaget skapade det ursprungliga ARPAnet). Idag erbjuder id Quantique, ett schweiziskt företag, och MagiQ Technologies, ett USA, kommersiella moduler som använder optisk fiber för att överföra kvantnycklar, i form av fotoner kodade som bitar genom att kontrollera deras polarisering, över begränsade avstånd som toppar vid cirka 100 kilometer. Eftersom försök till avlyssning av dessa ljuspartiklar skulle störa deras tillstånd och exponera avlyssning, erbjuder sådana kvantkryptografisystem absolut datasäkerhet.

Dessutom var utsikterna till kvantberäkning det som gav den initiala drivkraften för forskning om kvantnätverk. Om sådan beräkning kan göras på allvar (hittills har experiment använt högst sju qubits, eller kvantbinära siffror), lovar den att överträffa klassisk beräkning i betydande avseenden. Scott Aaronson, en MIT-expert på beräkningskomplexitet, citerar algoritmen som publicerades 1994 av MIT-matematikern Peter Shor som genombrottet som visade att kvantberäkning var ett hållbart förslag genom att visa att det kunde ta hänsyn till mycket stora siffror inom rimlig beräkningstid. Eftersom den uppgiften har varit bortom klassiska datorer, har det mesta av kryptografi med publika nyckel hittills varit baserat på att faktorisera stora siffror. Men det skulle vara sårbart för kryptoanalys baserad på kvantberäkning. Som Aaronson säger, det är därför National Security Agency är intresserad av kvantberäkning. Kvantkryptografi skulle dock erbjuda datasäkerhet mot kvantkodbrott såväl som mot vanlig kryptoanalys.

Förutom att säkerställa datasäkerheten, skulle kvantwide-area repeater-nätverken, eller QWAN:er, som Kimble har i åtanke, ha få av nuvarande nätverks latensproblem – faktiskt, kan vara så nästan ögonblickliga som ljushastigheten tillåter. Dessutom borde den exponentiella parallellismen som skulle ge kvantberäkningen dess kraft – med två intrasslade partiklar, eller qubits, representerande fyra olika värden, fyra qubits 16 värden, och så vidare – gälla för nätverk av kvantberäkningsenheter. Kimble säger, även om det kommer att finnas en största storlek som kan uppnås för tillståndsutrymmet för individuella kvantbehandlingsenheter, kommer det att vara möjligt att överträffa det genom att länka samman dessa enheter till ett helt kvantnätverk. En kvantdators tillståndsutrymme är hela spektrumet av potentiella tillstånd där datorn kan existera. När en kvantalgoritm körs kollapsar denna beräkningsprocess det tillståndsutrymmet och krymper datorns intervall av möjliga tillstånd till ett enda: det korrekta svaret på det givna problemet. Med ett nätverk av kvantdatorer, hävdar Kimble, skulle den exponentiella beräkningskraften för varje enhet multipliceras exponentiellt.

MIT:s Seth Lloyd har funderat lite på designalternativen för kvantnätverk. Han säger att nätverk som använder cesium-atomensembler är en av de mest lovande teknikerna för att transportera kvantinformation över långa avstånd. Ändå är ensemblemetoden relativt skrymmande, och ju större ett kvantsystem, desto större problem för datoranvändning. Lloyd säger att kretsbaserade tillvägagångssätt som supraledande slingor är mer skalbara inom ett litet utrymme, med potentiellt stora antal qubits på ett kretskort. Men sådana system är olämpliga för kommunikation. Kimble och jag har samarbetat kring koncept med individuella atomer istället för ensembler, säger han. Om vi ​​kunde flytta information mellan atomensembler och enskilda joner och jonfällor, så är det en skalbar kvantteknologi. Ett rimligt scenario, enligt Lloyd, verkar vara att använda ensembler för kommunikation och de mer lokaliserade, skalbara kvantenheterna, som supraledande slingor eller jonfällor, för beräkning.

Så Kimble har ett rimligt argument för att kvantnätverk är genomförbara. Och fördelarna som han föreställer sig – absolut datasäkerhet, ingen latens och en ytterligare exponentiell vinst i beräkningskraft – skulle knappast vara försumbara i informationshandelns värld.

Vissa kommersiella tillämpningar av kvantinformationsteknologi är ganska uppenbara. Mänskliga aktiehandlare har kommit att förlita sig på de datoriserade handelsprogram som kallas högfrekventa handlare (HFT). Vissa dagar genererar dessa mer än hälften av volymen på New York Stock Exchange. Stora handelsinstitutioner har spenderat miljoner på att utveckla sina algoritmer för att analysera marknadsdata och utföra ett stort antal affärer enligt strategier som mestadels är sofistikerade varianter på att köpa mikrosekunder efter att vissa data anländer och sedan sälja mikrosekunder senare på bekostnad av andra handlare som kunde inte få in data eller deras affärer ut lika snabbt. Futures-handlare som använder nästan omedelbara kvantnätverk kommer att ha klara fördelar jämfört med de som inte gör det.

Andra kommersiella tillämpningar är också möjliga. Scott Aaronson föreslog en av dem i en tidning som heter Quantum Copy-Protection and Quantum Money. Han observerade att kvanttillstånd inte kan kopieras eftersom någon mätprocess förstör dem, vilket ökar möjligheten att använda kvanttillstånd som icke-klonbar information. Att utnyttja denna möjlighet kommer att kräva att man kringgår det faktum att kvanttillstånd kollapsar under mätning och att först (för kvantpengarsyften) skapas oklonbara tillstånd som kan verifieras som äkta, och för det andra (för kvantkopieringsskydd) oklonbara tillstånd som skulle tillåter fortfarande att den skyddade programvaran, DVD-skivor, CD-skivor och så vidare används. Aaronson visade att minst en typ av offentligt verifierbara kvantpengar och två system för kvantbaserat kopieringsskydd är teoretiskt möjliga – vilket för första gången någonsin ökar möjligheten till absolut oförfalskade pengar och oöverstigligt skydd för digitala rättigheter.

Den första generationen pengar uppstod med uppfinningen av mynt i Lydia för nästan 3 000 år sedan, dess andra generation med pappersväxeln utgivna av bankerna i renässansens Italien, och den tredje med elektroniska pengar och den moderna erans virtuella ekonomi. Om forskare som Kimble och Aaronson har rätt kan kvantnätverk snart ge upphov till ytterligare en generation pengar.

Mark Williams är en medverkande redaktör till Teknikgranskning.

Dölj