Skip to content
Home » Nobelprijswinnende kwantumgekte belooft betere manieren om communicatie te versleutelen en je lichaam in beeld te brengen

Nobelprijswinnende kwantumgekte belooft betere manieren om communicatie te versleutelen en je lichaam in beeld te brengen

    Nobelprijswinnende kwantumgekte belooft betere manieren om communicatie te versleutelen en je lichaam in beeld te brengen

    Niet-hackbare communicatieapparatuur, uiterst nauwkeurige GPS en medische beeldvorming met hoge resolutie hebben allemaal iets gemeen. Deze technologieën, sommige in ontwikkeling en sommige al op de markt, zijn allemaal gebaseerd op het niet-intuïtieve kwantumfenomeen verstrengeling.


    Twee kwantumdeeltjes, zoals paren atomen of fotonen, kunnen verstrengeld raken. Dat betekent dat een eigenschap van het ene deeltje is gekoppeld aan een eigenschap van het andere, en een verandering aan het ene deeltje heeft onmiddellijk invloed op het andere deeltje, ongeacht hoe ver ze van elkaar verwijderd zijn. Deze correlatie is een belangrijke bron in kwantuminformatietechnologieën.

    Voor het grootste deel is kwantumverstrengeling nog steeds een onderwerp van natuurkundig onderzoek, maar het is ook een onderdeel van commercieel beschikbare technologieën en het speelt een hoofdrol in de opkomende kwantuminformatieverwerkingsindustrie.

    pioniers

    De Nobelprijs voor de Natuurkunde van 2022 erkende de diepgaande erfenis van Alain Aspect uit Frankrijk, John F. Clauser uit de VS en het experimentele werk van Anton Zeilinger uit de Oostenrijkse Anton Zeilinger met kwantumverstrengeling, dat mij persoonlijk heeft geraakt sinds het begin van mijn graduate schoolcarrière als natuurkundige. Anton Zeilinger was een mentor van mijn Ph.D. mentor, Paul Kwiat, die mijn proefschrift over het experimenteel begrijpen van decoherentie in fotonische verstrengeling sterk heeft beïnvloed.

    Decoherentie treedt op wanneer de omgeving interageert met een kwantumobject – in dit geval een foton – om het uit de kwantumtoestand van superpositie te halen. In superpositie is een kwantumobject geïsoleerd van de omgeving en bestaat het tegelijkertijd in een vreemde mengeling van twee tegengestelde toestanden, zoals een opgooi van een muntstuk dat zowel kop als munt landt. Superpositie is nodig om twee of meer kwantumobjecten te laten verstrengelen.

    Verstrikking gaat de afstand

    Kwantumverstrengeling is een cruciaal element van de verwerking van kwantuminformatie, en fotonische verstrengeling van het type dat werd ontwikkeld door de Nobelprijswinnaars is cruciaal voor het verzenden van kwantuminformatie. Kwantumverstrengeling kan worden gebruikt om grootschalige kwantumcommunicatienetwerken te bouwen.

    Jian-Wei Pan, een van de voormalige studenten van Zeilinger, en collega’s, op weg naar lange-afstandsquantumnetwerken, demonstreerden via satelliettransmissie verstrengelingsdistributie naar twee locaties op een afstand van 1203 km van elkaar gescheiden. De directe transmissiesnelheden van kwantuminformatie zijn echter beperkt vanwege verlies, wat betekent dat te veel fotonen tijdens het transport door materie worden geabsorbeerd, zodat er niet genoeg de bestemming bereiken.

    Verstrengeling is van cruciaal belang voor het oplossen van deze wegversperring, door de ontluikende technologie van kwantumrepeaters. Een belangrijke mijlpaal voor vroege kwantumrepeaters, verstrengeling-swapping genaamd, werd in 1998 door Zeilinger en collega’s aangetoond. Verstrengeling-swapping verbindt elk van twee paren verstrengelde fotonen, waardoor de twee aanvankelijk onafhankelijke fotonen, die ver uit elkaar kunnen liggen, verstrengeld raken.

    Hoe kwantumversleuteling geheimen veilig houdt.

    Quantum bescherming

    Misschien wel de meest bekende toepassing voor kwantumcommunicatie is Quantum Key Distribution (QKD), waarmee iemand veilig coderingssleutels kan distribueren. Als die sleutels correct worden opgeslagen, zijn ze veilig, zelfs voor toekomstige krachtige, codebrekende kwantumcomputers.

    Terwijl het eerste voorstel voor QKD verstrengeling niet expliciet vereiste, werd vervolgens een op verstrengeling gebaseerde versie voorgesteld. Kort na dit voorstel kwam de eerste demonstratie van de techniek, door de lucht over een korte afstand op een tafelblad. De eerste demonstraties van op verstrengeling gebaseerde QKD werden gepubliceerd door onderzoeksgroepen onder leiding van Zeilinger, Kwiat en Nicolas Gisin en werden gepubliceerd in hetzelfde nummer van Fysieke beoordelingsbrieven in mei 2000.

    Deze op verstrengeling gebaseerde gedistribueerde sleutels kunnen worden gebruikt om de beveiliging van communicatie drastisch te verbeteren. Een eerste belangrijke demonstratie in deze richting was van de Zeilinger-groep, die in 2004 een bankoverschrijving uitvoerde in Wenen, Oostenrijk. In dit geval bevonden de twee helften van het QKD-systeem zich op het hoofdkantoor van een grote bank en de Weense Gemeentehuis. De optische vezels die de fotonen droegen, werden geïnstalleerd in het Weense rioleringssysteem en overspannen negen tienden van een mijl (1,45 km).

    Verstrengeling te koop

    Tegenwoordig zijn er een handvol bedrijven die de distributietechnologie voor kwantumsleutels hebben gecommercialiseerd, waaronder de medewerker van mijn groep, Qubitekk, die zich richt op een op verstrengeling gebaseerde benadering van QKD. Met een recenter commercieel Qubitekk-systeem demonstreerden mijn collega’s en ik veilige smart grid-communicatie in Chattanooga, Tennessee.

    Quantumcommunicatie-, computer- en detectietechnologieën zijn van groot belang voor het leger en de inlichtingendiensten. Kwantumverstrengeling belooft ook de medische beeldvorming te stimuleren door middel van optische detectie en detectie van radiofrequenties met hoge resolutie, wat ook de GPS-positionering zou kunnen verbeteren. Er is zelfs een bedrijf dat zich opmaakt om verstrengeling-as-a-service aan te bieden door klanten netwerktoegang te bieden tot verstrengelde qubits voor veilige communicatie.

    Er zijn veel andere kwantumtoepassingen die zijn voorgesteld en die nog moeten worden uitgevonden en die mogelijk zullen worden gemaakt door toekomstige verstrengelde kwantumnetwerken. Quantumcomputers zullen misschien wel de meest directe impact hebben op de samenleving door directe simulatie mogelijk te maken van problemen die niet goed schalen op conventionele digitale computers. Over het algemeen produceren kwantumcomputers complexe verstrengelde netwerken wanneer ze in bedrijf zijn. Deze computers kunnen een enorme impact hebben op de samenleving, variërend van het verminderen van het energieverbruik tot het ontwikkelen van op maat gemaakte medicijnen.

    Ten slotte beloven verstrengelde kwantumsensornetwerken de mogelijkheid om theoretische fenomenen te meten, zoals donkere materie, die niet kunnen worden gezien met de conventionele technologie van vandaag. De vreemdheid van de kwantummechanica, opgehelderd door decennia van fundamenteel experimenteel en theoretisch werk, heeft geleid tot een nieuwe ontluikende wereldwijde kwantumindustrie.


    De verstrengeling van twee kwantumgeheugensystemen op 12,5 km van elkaar


    Geleverd door The Conversation

    Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.Het gesprek

    citaten: Nobelprijswinnende kwantumgekte belooft betere manieren om communicatie te coderen en je lichaam in beeld te brengen (2022, 10 oktober) opgehaald op 10 oktober 2022 van https://phys.org/news/2022-10-nobel-winning-quantum-weirdness-ways -encrypting.html

    Op dit document rust copyright. Afgezien van een eerlijke handel ten behoeve van eigen studie of onderzoek, mag niets worden gereproduceerd zonder schriftelijke toestemming. De inhoud wordt uitsluitend ter informatie verstrekt.