Teleportation: Dataoverførsel til kvantelageret

Visionen om at udvikle kvantecomputere er rykket et stort skridt nærmere efter, at det for første gang nogensinde er lykkedes for en dansk-tysk gruppe af fysikere at overføre kvanteinformation fra lys til en gas af atomer.

»Det næste trin bliver at overføre kvanteinformation den anden vej - fra atomer til lys - så vi kan bruge lysstråler til at sammenkoble flere atomare datalagre i en kvantecomputer,« siger Eugene Polzik, som er direktør i Danmarks Grundforskningsfonds Center for Kvanteoptik, der består af forskere fra Niels Bohr Institutet og Aarhus Universitet.

Gennembruddet, som Polzik og hans kolleger offentliggjorde den 5. oktober i tidsskriftet Nature, er baseret på en af de mest forunderlige muligheder i kvantemekanikkens verden; nemlig teleportation, som går ud på at lade noget forsvinde ét sted og genopstå et andet sted.

En klassisk science fiction analogi er den navnkundige kaptajn Kirk fra Star Trek, som bliver teleporteret ud til fjerne planeter på en lysstråle. I virkelighedens kvanteverden er det dog ikke fysiske objekter, der flyttes fra sted til sted ved hjælp af lys, men kvantetilstande. Billedligt talt svarer det til, at man sender kaptajn Kirks sjæl ud til en anden planet, hvor en klon af hans krop står klar til at modtage ånden. På den måde genopstår den gode kaptajn i praksis et helt andet sted. Det samme vil gælde i atomar skala, hvis det lykkes at teleportere kvantetilstande fra én gruppe af atomer til en anden gruppe af atomer ved hjælp af lys.

Du får dog næppe nogensinde en kvante-pc, men kvantecomputere har potentialet til at slå nutidens supercomputere af banen, når det gælder store talknuserier. Det skyldes, at kvanteobjekter som atomer eller fotoner kan være i to forskellige tilstande på én gang. Så mens en almindelig computer kan gemme et 1-tal eller et 0 i en bit, kan en kvantecomputer rumme både 1 og 0 i den samme bit, og det sætter den i stand til at lave gigantiske beregninger i lyntempo.

Som en almindelig pc må en kvantecomputer både have et datalager og kanaler til at sende information mellem enhederne i lageret. Atomer er det logiske valg som hukommelse, fordi atomer kan opbevare kvanteinformation i længere tid end fotoner, mens lys er velegnet til hurtig indlæsning og udlæsning af data fra de atomare lagre.

Sammenfiltrede kvantetilstande

At teleportation kan lade sig gøre i kvanteverdenen skyldes et fænomen, som kaldes entanglement eller sammenfiltring på dansk. Sammenfiltring indebærer, at to kvantesystemer, som engang har været forbundne, bliver ved med at være det, selv om de adskilles i tid og rum. Man kan frembringe to sammenfiltrede lysstråler ved at sende en laserstråle gennem en ikke-lineær krystal, der deler strålen i to. Hver for sig danner de to lysstråler et totalt rodet elektromagnetisk felt, som intet fortæller om den oprindelige lysstråle. Men informationen om den velordnede stråle kan genskabes ved at kombinere informationen fra begge de rodede stråler.

Netop det fænomen udnyttede Eugene Polzik og hans medarbejdere i 1998 til at teleportere kvanteinformation fra én lysstråle til en anden lysstråle. At det kunne lade sig gøre, er ganske imponerende. For i følge fysikkens love kan man ikke måle på fotoners kvantetilstande - hverken på eksempelvis deres polarisation, eller ved at kopiere tilstanden uden at ødelægge den øjeblikkeligt. Fysikerne løste problemet ved at bruge en tredie lysstråle, som indeholdt den kvanteinformation, der skulle teleporteres. Den kodede stråle blev blandet med den ene af de to rodede stråler fra det sammenfiltrede par. Så kunne fysikerne måle blandingsstrålens egenskaber uden at bestemme kvanteinformationen i den kodede stråle. På den måde undgik de at ødelægge informationen ved målingen. Måleresultaterne blev nu sendt videre til modtageren via en almindelig klassisk kanal. Derefter blev signalet blandet med den anden rodede stråle. Herved forsvandt støjen, og en tro kopi af den kvantekodede stråle opstod.

Forsøget viste, at kvanteinformation kan teleporteres fra lys til lys, hvilket kan bruges til at overføre data i en kvantecomputer. Men lyspartikler, som bevæger sig med 300.000 kilometer i sekundet, er ret så ustabile som datalager, og derfor har det lige siden dengang været et stort mål at kunne teleportere kvanteinformation fra lys ind i atomer, som er meget bedre til at fastholde kvantetilstande og dermed lagre information.

Besked til atomerne

At benytte atomers kvantetilstande til opbe­varing af data i en kvantecomputer kræver i princippet total isolation af de pågældende atomer, fordi enhver vekselvirkning med omgivelserne svarer til en måling, der fastlægger kvantetilstanden. Det er uønsket, fordi kvantecomputeren netop får sin uovertrufne regnekraft ved, at kvantetilstanden ikke er defineret - så længe intet er målt, kan et atom på samme tidspunkt have både spin op og spin ned svarende til en kvantebit, som rummer både et 0 og et 1-tal.

Flere forskergrupper har isoleret individuelle atomer i magnetiske fælder for at undgå vekselvirkninger med omgivelserne, men den dansk-tyske forskergruppe valgte en anden strategi, nemlig at anbringe en gas med milliarder af cæsiumatomer i et magnetfelt. Fidusen er, at selv om enkelte atomer vekselvirker med beholderen, så ødelægger det ikke nødvendigvis kvantetilstanden i hele flokken.

Overførslen af kvanteinformation fra en lysstråle til atomerne i gassen forberedes ved at sende en kraftig laserstråle gennem gassen, hvorved fotonerne og atomerne bliver sammenfiltrede. Resultatet er, at lysstrålen rummer information om atomernes kvantetilstand efter passagen gennem gassen. Strålen bliver nu blandet på en stråledeler med den kvantekodede stråle, som skal teleporteres, og den blandede stråle sendes videre til to detektorer, som begge udfører en måling, som ikke afslører informationerne i den kvantekodede stråle. Derpå sendes de samlede måleresultater tilbage til atomerne via en klassisk kanal, og først i det øjeblik, hvor måleresultaterne kombineres med atomernes kvantetilstand, genopstår informationen fra den kvantekodede stråle, som nu bliver indlæst i atomerne.

Kryptering og kvanteforstærkere

Selv om forsøget leverer et principielt bevis for, at det er muligt at teleportere kvanteinformation fra lys til atomer, så er kvantecomputeren ikke lige om hjørnet. For det er også nødvendigt at kunne teleportere kvanteinformation fra atomer til lys, så lyset kan bruges til lynhurtig transport af data mellem de atomare lagerenheder. Det arbejder fysikerne nu på at blive i stand til.

Seminar: Sådan tiltrækker du it-talenter til industrien

Mens vi venter på kvantecomputeren, kan tele­portation inden for en over­skuelig fremtid komme til at spille en rolle for praktisk kvanteinformatik; nemlig i forbindelse med kvantekrypteret dataoverførsel via lyslederkabler, som enkelte firmaer på verdensplan er begyndt at markedsføre til for eksmepel banker og forsikringsselskaber. Kvantekryptering er absolut ubrydelig - med garanti fra fysikkens love. Hvis man forsøger at aflytte kvantekodede fotoner, ændres fotonernes tilstand, og hackeren afsløres uhjælpeligt.

I praksis er der imidlertid grænser for, hvor langt en kvantekrypteret lysstråle kan sendes gennem en lysleder; rekorden er 67 kilometer gennem et kabel mellem Geneve og Lausanne. Hvis kvantekrypterede budskaber skal kunne sendes verden rundt gennem lysledere, får man brug for forstærkere. Og da signalet vel at mærke skal forstærkes, uden at man måler på det eller kopierer det, er kvanteforstærkere baseret på teleportation et godt bud på en metode til at sende signalet videre gennem kablet.