Internettet kan opnå kvantehastighed med lys gemt som lyd
Forskere ved Københavns Universitets Niels Bohr Institut har udviklet en ny måde at skabe kvantehukommelse på:En lille tromle kan lagre data sendt med lys i sine lydvibrationer, og så videresende dataene med nye lyskilder, når der er brug for det igen. Resultaterne viser, at mekanisk hukommelse til kvantedata kunne være den strategi, der baner vejen for et ultrasikkert internet med utrolige hastigheder.
Forskningen er publiceret i tidsskriftet Physical Review Letters .
Lige under Niels Bohrs gamle kontor ligger en kælder, hvor spredte borde er dækket af små spejle, lasere og et agglomeration af alle typer apparater forbundet af ledninger og bunker af tape. Det ser ud til, at et barns projekt er gået for vidt, et som deres forældre forgæves har prøvet at få dem til at rydde op i.
Selvom det er svært for det utrænede øje at gennemskue, at disse tabeller faktisk er hjemsted for en række verdensførende forskningsprojekter, sker der vigtige ting i verdener så små, at ikke engang Newtons love gælder. Det er her, Niels Bohrs kvantefysiske arvinger udvikler de mest banebrydende inden for kvanteteknologier.
Et af disse projekter skiller sig ud - i det mindste for fysikere - ved det faktum, at en dims, der er synlig for det blotte øje, er i stand til at opnå kvantetilstande. Kvantetromlen er en lille membran lavet af et keramisk, glaslignende materiale med huller spredt i et pænt mønster langs dens kanter.
Når tromlen bliver slået med lyset fra en laser, begynder den at vibrere, og gør dette så hurtigt og uden forstyrrelser, at kvantemekanikken kommer i spil. Denne egenskab har for længst vakt opsigt ved at åbne op for en række kvanteteknologiske muligheder.
Nu har et samarbejde på tværs af forskellige kvanteområder på Instituttet vist, at tromlen også kan spille en nøglerolle for fremtidens netværk af kvantecomputere. Ligesom moderne alkymister har forskere skabt en ny form for "kvantehukommelse" ved at konvertere lyssignaler til lydvibrationer.
I deres netop offentliggjorte forskningsartikel har forskerne bevist, at kvantedata fra en kvantecomputer, der udsendes som lyssignaler - fx gennem den type fiberoptiske kabel, der allerede bruges til højhastighedsinternetforbindelser - kan lagres som vibrationer i tromle og derefter videresendt.
Tidligere eksperimenter havde vist forskerne, at membranen kan forblive i en ellers skrøbelig kvantetilstand. På dette grundlag mener de, at tromlen burde være i stand til at modtage og transmittere kvantedata, uden at den "dekoherer", dvs. mister sin kvantetilstand, når kvantecomputerne er klar.
"Dette åbner op for store perspektiver for den dag, hvor kvantecomputere virkelig kan gøre, hvad vi forventer, at de skal. Kvantehukommelse er sandsynligvis fundamental for at sende kvanteinformation over afstande. Så det, vi har udviklet, er en afgørende brik i selve fundamentet for et fremtidens internet med kvantehastighed og kvantesikkerhed," siger postdoc Mads Bjerregaard Kristensen fra Niels Bohr Institutet, hovedforfatter på den nye forskningsartikel.
Ultrahurtig, ultrasikker
Når man overfører information mellem to kvantecomputere over en afstand – eller blandt mange på et kvanteinternet – vil signalet hurtigt blive overdøvet af støj. Mængden af støj i et fiberoptisk kabel stiger eksponentielt, jo længere kablet er. Til sidst kan data ikke længere afkodes.
Det klassiske internet og andre store computernetværk løser dette støjproblem ved at forstærke signaler i små stationer langs transmissionsruter. Men for at kvantecomputere kan anvende en analog metode, skal de først oversætte dataene til almindelige binære talsystemer, såsom dem der bruges af en almindelig computer.
Det her duer ikke. Hvis du gør det, ville det bremse netværket og gøre det sårbart over for cyberangreb, da oddsene for, at klassisk databeskyttelse er effektiv i en kvantecomputerfremtid, er meget dårlige.
"I stedet håber vi, at kvantetromlen vil være i stand til at påtage sig denne opgave. Den har vist meget lovende, da den er utroligt velegnet til at modtage og gensende signaler fra en kvantecomputer. Så målet er at udvide forbindelsen mellem kvantecomputere computere gennem stationer, hvor kvantetrommer modtager og genudsender signaler, og på den måde undgår støj, mens data holdes i en kvantetilstand," siger Kristensen.
"Hvis du gør det, vil hastighederne og fordelene ved kvantecomputere, fx i forhold til visse komplekse beregninger, strække sig over netværk og internettet, da de vil blive opnået ved at udnytte egenskaber som superposition og sammenfiltring, der er unikke for kvantetilstande."
Hvis det lykkes, vil stationerne også være i stand til at udvide kvantesikrede forbindelser, hvis kvantekoder også kunne forlænges af tromlen. Disse sikre signaler kan sendes over forskellige afstande – hvad enten det er rundt om et kvantenetværk eller over Atlanten – i fremtidens kvanteinternet.
Fleksibel, praktisk og muligvis banebrydende som kvante-RAM
Der forskes andre steder til et alternativ, hvor en databærende lyskilde er rettet mod et atomsystem og midlertidigt forskyder elektronerne i atomet, men metoden har sine begrænsninger.
"Der er grænser for, hvad man kan gøre med et atomsystem, da vi ikke kan designe atomer eller frekvensen af lyset, som de selv kan interagere med. Vores relativt 'store' mekaniske system giver mere fleksibilitet. Vi kan pille og justere. , så hvis nye opdagelser ændrer spillereglerne, er der en god chance for, at kvantetromlen kan tilpasses," forklarer professor Albert Schliesser, medforfatter til forskningsartiklen.
"På godt og ondt er vores evner som forskere mest det, der definerer grænserne for, hvor godt det hele fungerer," påpeger han.
Tromlen er den nyeste og mest seriøse version af mekanisk kvantehukommelse, da den kombinerer en række egenskaber:Tromlen har lavt signaltab - dvs. datasignalets styrke bevares godt. Det har også den enorme fordel, at det er i stand til at håndtere alle lysfrekvenser, inklusive den frekvens, der bruges i de fiberoptiske lyskabler, som det moderne internet er bygget på.
Kvantetromlen er også praktisk, fordi data kan lagres og læses, når det er nødvendigt. Og de rekordlange 23 millisekunders hukommelsestid, som forskere allerede har opnået, gør det langt mere sandsynligt, at teknologien en dag kan blive en byggesten for systemer af kvantenetværk såvel som hardwaren i kvantecomputere.
"Vi er tidligt ude med denne forskning. Kvantecomputere og kommunikation er stadig på et tidligt udviklingsstadium, men med den hukommelse, vi har fået, kan man spekulere i, at kvantetromlen en dag vil blive brugt som en slags kvante-RAM, en slags midlertidig arbejdshukommelse for kvanteinformation Og det ville være banebrydende,« siger professoren.
Flere oplysninger: Mads Bjerregaard Kristensen et al, Langvarig og effektiv optomekanisk hukommelse for lys, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.100802
Journaloplysninger: Physical Review Letters
Leveret af Københavns Universitet
Varme artikler
-
Kaliumkernen mister noget af sin magiISOLDE-talsmand Gerda Neyens ved anlæggets collinear resonance ionisation spectroscopy (CRIS) set-up. Kredit:CERN En ny undersøgelse ved ISOLDE finder ingen signatur på et magisk antal neutroner i -
Isolering af antiferromagnetiske materialer til fremtidige computereMikroskopiske magnetiske øjeblikke i antiferromagneter (l.) Har deres nord- og sydpoler skiftevis, i modsætning til dem i ferromagneter (r.) Kredit:Universität Mainz Fremtidig computerteknologi ba -
En pause -knap til lette partiklerKredit:Pixabay/CC0 Public Domain Hvordan stopper man noget, der er hurtigere end noget andet, immateriel og altid i bevægelse af natur? Et team ledet af fysikerne Dr. Thorsten Peters og professor -
Simuleringer for at gøre indsigt i elektrokinetisk transport mere pålideligSkematisk af et elektro-osmotisk flow (EOF) eksperiment (øverst) og et streaming Current (SC) eksperiment (nederst). Kredit: Journal of Chemical Physics (2021). DOI:10.1063/5.0038161 Forsker Remc
- Forskellen mellem anafase, interfase, metafase og prophase
- Gamle signaler fra det tidlige univers
- Hill Abduction
- Metal-silikone mikrostrukturer kunne muliggøre nye fleksible optiske og elektriske enheder
- Forskere udvikler grønte-baserede missiler til at dræbe kræftceller mere effektivt
- Ny forskning undersøger korrosion på atomniveau