Kvanteteknologi kan bruges til fuldstændig sikker, ubrydelig kryptering. Den kan også bruges til nye typer computere, som kan løse visse former for opgaver langt hurtigere end nutidens supercomputere.
Men teknologien er stadig i sin vorden, og der er et stykke vej endnu, før vi for alvor kan høste gevinsterne fra det seneste århundredes kvanteforskning.
Et af problemerne er, at det er svært at sende kvantebits, som er de mindste enheder af kvanteinformation, over lange afstande.
Det er nødvendigt, hvis kvantecomputere langt fra hinanden skal kunne arbejde sammen om at løse problemer. Eller hvis to parter skal kunne holde beskeder hemmelige ved at udveksle krypteringsnøgler.
Men nu har forskere fra universitetet i Stuttgart i Tyskland vist en vej frem. I et eksperiment har de brugt kvantepunkter - ekstremt små strukturer på få milliontedele af en millimeter i størrelse - til kvanteteleportation.
Det kan føre til såkaldte kvante-repeatere, der kan sikre kommunikation over lange afstande.
»For første gang nogensinde er det lykkedes at overføre kvanteinformation mellem fotoner, der kommer fra to forskellige kvantepunkter,« siger professor Peter Michler ifølge en pressemeddelelse fra Stuttgart universitet. Resultatet er beskrevet i en videnskabelig artikel i tidsskriftet Nature Communications.
Punkter i nanostørrelse udsender lyspartikler
De bittesmå kvantepunkter er lavet af halvledermateriale - et stof med elektrisk ledningsevne mellem en leder som metal og en isolator, hvor ledningsevnen stiger med temperaturen.
De kan udsende lys i form af enkelte fotoner, altså små lyspartikler, med bestemte egenskaber.
I det tyske forsøg udsendte et kvantepunkt to fotoner, hvor den ene efterfølgende overførte – eller teleporterede, som det kaldes i kvantemiljøet – sin kvanteinformation til en foton fra et andet kvantepunkt. Det er ikke set før.
»Det er et rigtig fint og vigtigt resultat, der viser, hvordan man kan bygge kvanteteknologi baseret på kvantepunkter. Det er et skridt på vejen mod et kvanteinternet,« fortæller Peter Lodahl, der er professor i kvanteoptik på Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet. Han arbejder selv med kvantepunkter, ikke mindst i firmaet Sparrow Quantum, som han har stiftet.
»Kvantepunkter har eksisteret i mange år, men det er ret nyt, at vi kan bruge dem som byggeklodser til kvanteteknologi. Det er et svært eksperiment, der fortjener respekt,« fortsætter han.
\ Sammenfiltring sikrer hemmelighederne
Kvantefysikken siger, at man ikke kan måle på noget i kvanteverdenen uden samtidig at påvirke det.
Dette gælder også for par af fotoner, som er bragt i en særlig kvantemekanisk tilstand, hvor de er sammenfiltrede. Det betyder, at de to fotoner skal betragtes som et samlet system, uanset hvor langt fotonerne er fra hinanden.
Når en krypteringsnøgle sendes med sammenfiltrede fotoner, vil ethvert forsøg på at aflure den blive afsløret. Aflytteren vil nemlig uundgåeligt ødelægge den særlige tilstand, der er fælles for fotonerne, og det kan opdages af modtagerne af beskeden.
Kvantelys kan ikke forstærkes
I det almindelige, globale internet bliver data indkodet i lyspulser, der kan sendes over lange afstande igennem lyslederkabler, også kaldet optiske fibre.
Men der er grænser for, hvor langt man kan sende fotoner gennem et lyslederkabel, før de har brug for en genopfriskning. Informationen går tabt, hvis kablet er for langt.
Optiske forstærkere i netværket kan sørge for, at lyset forstærkes undervejs, så det ikke bliver for svagt. Men det fungerer kun med klassiske bits, hvor lyspulser repræsenterer nuller og ettaller. Den går ikke med kvantebits, der både kan være 0, 1 eller en blanding af 0 og 1.
Kvantefysikkens love forbyder, at kvanteinformation kan forstærkes eller kopieres, men til gengæld kan den overføres fra én foton til en anden.
I et optisk netværk skal en kvante-repeater teleportere kvanteinformationen fra én foton, der har været mange kilometer undervejs, til en frisk foton, som kan klare det næste lange stykke. Kvantenetværket kan for eksempel have en repeater for hver 50 km.
Kun med kvante-repeatere kan man bygge et verdensomspændende netværk, som kan bruges til ubrydelig kvantekryptering, så man kan sende hemmelige beskeder til hinanden.
Kvantecomputere kan forbindes
Udover sikker kommunikation kan et kvanteinternet bruges til at forbinde kvantecomputere, så flere mindre kvantecomputere kan arbejde sammen som én stor superkvantecomputer. Desuden kan det muliggøre sikker adgang til andres kvantecomputere.
Peter Lodahl understreger dog, at der er langt igen, før kvanteinternettet er en realitet.
»Det nye eksperiment viser, at det er muligt at bruge kvantepunkter til at overføre kvanteinformation mellem fotoner, men endnu ikke med en kvalitet, der gør det muligt at bygge kvante-repeatere. Det er en basal demonstration af, at man kan koble to kvantepunkter, men der skal en del mere ingeniørarbejde til, før kvante-repeatere er klar til brug,« slutter han.
