Kvantefysikere fejrede i oktober, da Nobelkomiteen tildelte en længe ventet fysikpris til Alain Aspect, John Clauser og Anton Zeilinger for deres pionerarbejde forskning i kvantesammenfiltring. Men samfundet har bestemt ikke hvilet på laurbærrene, og med så mange andre spændende udviklinger i 2022, er det svært kun at vælge nogle få højdepunkter. Ikke desto mindre er her nogle resultater, der skilte sig ud for os inden for områderne kvantesansning, kvanteinformation, kvanteberegning, kvantekryptografi og grundlæggende kvantevidenskab.
I kvantemekanikken siger princippet om delokalisering, at en kvantepartikel i en vis håndbølget forstand kan være flere steder på én gang. Princippet om sammenfiltring siger i mellemtiden, at kvantepartikler oplever en forbindelse, der tillader en partikels tilstand at bestemme en andens tilstand, selv over store afstande. I november brugte fysikere ved JILA i Colorado, USA, en kombination af sammenfiltring og delokalisering til at undertrykke støj, der tidligere havde gjort det umuligt at fornemme accelerationer under den såkaldte kvantegrænse. Denne grænse er sat af kvantestøjen fra individuelle partikler, og den har længe været en væsentlig begrænsning for præcisionen af kvantesensorer. At overvinde det er således et stort skridt fremad.
Det er ikke nemt at sende kvanteinformation fra en node i et netværk til en anden. Hvis du koder informationen i fotoner, der sendes ned i en optisk fiber, tærer tab i fiberen på signalets troværdighed, indtil det bliver ulæseligt. Hvis man i stedet bruger kvantesammenfiltring til at teleportere informationen direkte, introducerer man andre processer, der desværre også nedbryder signalet. Tilføjelse af en tredje node til netværket, som fysikere ved QuTech i Holland gjorde i 2021, gør kun opgaven sværere. Det er derfor, det er så imponerende, at QuTech-forskerne fulgte op på deres tidligere succes ved at teleportere kvanteinformation fra en afsender (Alice) til en modtager (Charlie) via en mellemknude (Bob). Selvom troskaben af Alice-Bob-Charlie-transmissionen kun var 71 %, er det højere end den klassiske grænse på 2/3, og opnåelsen af den krævede, at forskerne kombinerede og optimerede adskillige udfordrende eksperimenter. Vil Dave, Edna og Fred noder slutte sig til netværket i 2023? Vi får at se!
Hvis det ikke var klart fra de to første højdepunkter på denne liste, er støj et stort problem i kvantevidenskab. Dette er lige så sandt for computere, som det er for sansning og kommunikation, hvorfor det er så vigtigt at rette disse støj-inducerede fejl. Fysikere lavet flere fremskridt på denne front i 2022, men en af de mest betydningsfulde kom i maj, da forskere ved universitetet i Innsbruck, Østrig og RWTH Aachen University i Tyskland demonstrerede et komplet sæt af fejltolerante kvanteoperationer for første gang. Deres ion-fælde kvantecomputer bruger syv fysiske qubits til at lave hver logisk qubit, plus "flag" qubits for at signalere tilstedeværelsen af farlige fejl i systemet. Det er afgørende, at den fejlkorrigerede version af systemet klarede sig bedre end den mere simple ukorrigerede, hvilket illustrerer teknikkens muligheder.
Informationssikkerhed er kvantekryptografiens USP, men information er kun altid så sikker som det svageste led i kæden. I kvantenøgledistribution (QKD) er et potentielt svagt led de enheder, der bruges til at sende og modtage nøglerne, som er sårbare over for konventionelle hacks (som nogen, der bryder ind i en node og manipulerer med systemet), selvom nøglerne selv er sikre mod kvante. Et alternativ er at bruge enhedsuafhængig QKD (DIQKD), som bruger målinger af Bell-uligheder i fotonpar for at bekræfte, at nøglegenereringsprocessen ikke er blevet fudged. I juli demonstrerede to uafhængige grupper af forskere DIQKD eksperimentelt for første gang - i ét tilfælde ved at generere 1.5 millioner sammenfiltrede Bell-par over en periode på otte timer og bruge dem til at generere en delt nøgle på 95 884 bits lang. Selvom nøglegenereringshastigheden skal være højere for at gøre DIQKD praktisk til krypterede netværk i den virkelige verden, er principbeviset forbløffende.
De andre sammenfiltrede partikler i denne højdepunktsliste er alle identiske: fotoner sammenfiltret med andre fotoner, ioner med andre ioner, atomer med andre atomer. Men der er intet i kvanteteorien, der kræver denne form for symmetri, og en ny klasse af "hybride" kvanteteknologier er faktisk afhængige af at blande tingene sammen. Indtast forskere ledet af Armin Feist fra Max Planck Institute for Multidisciplinary Sciences i Tyskland, som viste i august, at de kunne sammenfiltre en elektron og en foton ved hjælp af en ringformet optisk mikroresonator og en stråle af højenergielektroner, der passerer ringen ved en tangent. Teknikken har applikationer til en kvanteproces kaldet "heralding", hvor detektering af en partikel i et sammenfiltret par indikerer, at den anden partikel er tilgængelig til brug i et kvantekredsløb - et godt eksempel på, hvordan nutidens grundlæggende fremskridt driver morgendagens innovationer.
En pose med kvantesærligheder
Endelig, som det er traditionelt (vi har gjort det to gange, derfor er det en tradition), er ingen liste over kvantehøjdepunkter komplet uden et nik til alt det mærkelige og forbløffende på området. Så lad os høre det for de amerikanske forskere, der brugte en kvanteprocessor til at simulere teleportering af information gennem et ormehul i rum-tid; en gruppe i Italien og Frankrig, der satte hårde tal på udskillelige fotoner; et internationalt hold, der brugte kvanteovertrædelser af klassisk kausalitet til bedre forstå arten af årsag og virkning; og et uforfærdet par fysikere ved University of Edinburgh, UK, som viste, at kvantesignaler ville være en god måde for teknologisk avancerede udlændinge til at etablere kontakt på tværs af interstellare afstande. Tak for at holde kvante underlig!
