Forskere på DTU Fotonik har vist, at de kan teleportere information mellem to mikrochips ved at udnytte en kvantemekanisk sammenfiltring af to fotoner. Forsøget bringer os et skridt nærmere et hurtigere og sikrere internet.
Teleportation er nok mest kendt fra science fiction-film som Star Trek, hvor personer på et øjeblik bliver flyttet fra et sted til et andet. Fysisk teleportation hører stadig til i fantasiens verden, men nu har kvantefysikere fra DTU Fotonik sammen med engelske og kinesiske forskere demonstreret noget lignende ved at teleportere fotoner, dvs. lyspartikler, mellem to mikrochips. I stedet for at udnytte den klassiske metode til dataoverførsel med at sende en informationsbærende foton mellem to chips, har forskerne teleporteret information fra en siliciumchip til en anden ved at udnytte et kvantemekanisk sammenfiltret foton-par.
Fotoner, der er forbundet i en sammenfiltret kvantetilstand (også kaldet entanglement, se mere i boks) kender til enhver tid hinandens karakteristika – man kan ikke måle på den ene uden også at ændre den anden. Dette kan udnyttes til at udveksle kvanteinformation mellem de lokationer, hvor de sammenfiltrede fotoner er sendt hen. På sigt kan det potentielt bruges til at udvikle nye typer helt sikre internetforbindelser, hvor data ikke kan manipuleres undervejs, uden at det opdages.
Allerede i dag er det muligt at tage kvantefysikken til hjælp, når man vil sende hemmelige beskeder, hvor man er sikker på, at ingen lytter med. Teknologien er stadig i sin vorden, men der findes firmaer, som tilbyder udstyr til kvantemekanisk udveksling af krypteringsnøgler, hvor data sendes som enkelte fotoner i forskellige kvantetilstande.
Men her kræves en optisk fiber direkte mellem de to parter, der ønsker at sende hemmelige beskeder til hinanden, og der er grænser for, hvor lang den kan være. Rekorden i laboratoriet er 509 kilometer, men i praksis er fiberen sjældent længere end 100 kilometer. Hvis brugerne er mange hundrede kilometer fra hinanden, kan afstandsproblemet løses ved at bruge såkaldte trusted nodes – betroede mellemstationer – men det gør forbindelsen langsommere, dyrere og ikke mindst mere usikker, idet data ikke er beskyttet i mellemstationerne, men kan blive angrebet af uvedkommende, mens den befinder sig der.
Fotoner filtres sammen
Derfor er der brug for en mere robust og fleksibel infrastruktur til kvantekommunikation mellem et stort antal brugere, og det er her, forskernes nylige demonstration af kvanteteleportation mellem to siliciumchips kommer ind i billedet.
Forsøget blev gennemført af fire forskere fra Centre for Silicon Photonics for Optical Communications (SPOC) på DTU’s Institut for Fotonik i samarbejde med forskere fra University of Bristol i England og Peking University i Beijing, Kina.
”I vores chip kan vi frembringe to fotoner, som er i den sammenfiltrede kvantetilstand. Så kan vi sende den ene foton den ene vej og den anden den anden vej. Derefter fungerer de som ét samlet system, uanset afstanden mellem dem. Når man måler på den ene foton, ændrer man den fælles kvantetilstand og bestemmer dermed tilstanden for den anden foton. På den måde kunne vi bruge de sammenfiltrede fotoner til at overføre information fra en chip til en anden,” forklarer en af de fire DTU-forskere, adjunkt Davide Bacco.
På vej mod kvanteinternettet
Det er en stor fordel, at teknologien kan implementeres på siliciumchips. Silicium er blevet brugt i fremstillingen af mikrochips til computere siden 1960’erne, og forskerne kan genbruge produktionsmetoder fra halvlederindustrien – også selvom det er fotoner og ikke elektroner, der skal manipuleres med. Og når først designet er på plads, vil det være nemt og billigt at masseproducere dem.
De nye kvantechips vil således være et værdifuldt skridt på vejen til et alternativt internet, hvor informationen overføres efter kvantemekanikkens love; ikke i form af bits med værdien 0 eller 1, men med kvantebits, som kan være både 0 og 1 på samme tid.
Sådan et internet vil opføre sig fundamentalt anderledes end det internet, vi kender, og det vil give god mening, hvis det skal bruges til at sende opgaver til en kvantecomputer og efterfølgende modtage resultatet af beregningerne på en måde, så både input, output og selve beregningen forbliver afsenderens egen sag.
Det kan f.eks. blive aktuelt for et medicinalfirma, som vil udnytte kvantecomputerens formidable regnekraft til at udvikle ny medicin og få en central computer i kvanteskyen til at klare opgaven. Ligeledes vil de sikre kvanteforbindelser være værdifulde i forbindelse med internetforbundne ting, det såkaldte IoT, som er i stærk vækst.
I DTU’s Centre for Silicon Photonics for Optical Communications arbejdes der ikke kun på hardwaredelen af de nye kvantebaserede netværk. Her udvikles også nye måder at bruge kvantekommunikation på. Præcis som det for 50 år siden var umuligt at forudsige, hvad internettet engang ville blive brugt til, er det ikke til at vide, hvad kvanteinternettet kommer til at betyde for vores liv. Men perspektiverne er store.
Foto: University of Bristol
Det banebrydende forsøg med kvanteteleportation mellem mikrochips blev udført i Bristol med chips, der er designet og fremstillet på DTU.