Kvantefysikere feiret i oktober da Nobelkomiteen tildelte en etterlengtede fysikkpris til Alain Aspect, John Clauser og Anton Zeilinger for deres pionerarbeid forskning på kvanteforviklinger. Men samfunnet har absolutt ikke hvilet på laurbærene, og med så mange andre spennende utviklinger i 2022, er det vanskelig å velge bare noen få høydepunkter. Likevel, her er noen resultater som skilte seg ut for oss innen feltene kvantesansing, kvanteinformasjon, kvanteberegning, kvantekryptografi og grunnleggende kvantevitenskap.
I kvantemekanikk sier prinsippet om delokalisering at en kvantepartikkel i en eller annen håndbølget forstand kan være på flere steder samtidig. Prinsippet om sammenfiltring sier i mellomtiden at kvantepartikler opplever en sammenheng som lar tilstanden til en partikkel bestemme tilstanden til en annen, selv over store avstander. I november brukte fysikere ved JILA i Colorado, USA, en kombinasjon av sammenfiltring og delokalisering for å undertrykke støy som tidligere hadde gjort det umulig å registrere akselerasjoner under den såkalte kvantegrensen. Denne grensen er satt av kvantestøyen til individuelle partikler, og den har lenge vært en betydelig begrensning på presisjonen til kvantesensorer. Å overvinne det er dermed et stort skritt fremover.
Det er ikke lett å sende kvanteinformasjon fra en node i et nettverk til en annen. Hvis du koder informasjonen i fotoner som sendes nedover en optisk fiber, tærer tap i fiberen på signalets troverdighet til det blir uleselig. Hvis du i stedet bruker kvanteforviklinger for å teleportere informasjonen direkte, introduserer du andre prosesser som dessverre også degraderer signalet. Legger til en tredje node til nettverket, som fysikere ved QuTech i Nederland gjorde i 2021, gjør bare oppgaven vanskeligere. Det er derfor det er så imponerende at QuTech-forskerne fulgte opp sin tidligere suksess ved å teleportere kvanteinformasjon fra en avsender (Alice) til en mottaker (Charlie) via en mellomnode (Bob). Selv om trofastheten til Alice-Bob-Charlie-overføringen bare var 71 %, er det høyere enn den klassiske grensen på 2/3, og for å oppnå den krevde forskerne å kombinere og optimalisere flere utfordrende eksperimenter. Vil Dave, Edna og Fred noder bli med i nettverket i 2023? Vi får se!
I tilfelle det ikke var klart fra de to første høydepunktene i denne listen, er støy et stort problem innen kvantevitenskap. Dette er like sant for databehandling som det er for sansing og kommunikasjon, og det er derfor det er så viktig å korrigere disse støyinduserte feilene. Fysikere laget flere fremskritt på denne fronten i 2022, men en av de mest betydningsfulle kom i mai da forskere ved Universitetet i Innsbruck, Østerrike og RWTH Aachen University i Tyskland demonstrerte et komplett sett med feiltolerante kvanteoperasjoner for første gang. Ione-trap-kvantedatamaskinen deres bruker syv fysiske qubits for å lage hver logiske qubit, pluss "flagg" qubits for å signalisere tilstedeværelsen av farlige feil i systemet. Avgjørende var det at den feilkorrigerte versjonen av systemet presterte bedre enn den enklere ukorrigerte, noe som illustrerer teknikkens muligheter.
Informasjonssikkerhet er kvantekryptografiens USP, men informasjon er alltid like sikker som det svakeste leddet i kjeden. I kvantenøkkeldistribusjon (QKD) er en potensiell svak lenke enhetene som brukes til å sende og motta nøklene, som er sårbare for konvensjonelle hacks (som noen som bryter seg inn i en node og tukler med systemet) selv om selve nøklene er sikre mot kvante. Ett alternativ er å bruke enhetsuavhengig QKD (DIQKD), som bruker målinger av Bell-ulikheter i fotonpar for å bekrefte at nøkkelgenereringsprosessen ikke har blitt fudged. I juli demonstrerte to uavhengige grupper av forskere DIQKD eksperimentelt for første gang – i ett tilfelle ved å generere 1.5 millioner sammenfiltrede Bell-par over en periode på åtte timer og bruke dem til å generere en delt nøkkel på 95 884 biter. Selv om nøkkelgenereringsraten må være høyere for å gjøre DIQKD praktisk for krypterte nettverk i den virkelige verden, er prinsippbeviset slående.
De andre sammenfiltrede partiklene i denne listen over høydepunkter er alle identiske: fotoner sammenfiltret med andre fotoner, ioner med andre ioner, atomer med andre atomer. Men det er ingenting i kvanteteorien som krever denne typen symmetri, og en ny klasse av "hybride" kvanteteknologier er faktisk avhengig av å blande ting. Skriv inn forskere ledet av Armin Feist fra Max Planck Institute for Multidisciplinary Sciences i Tyskland, som viste i august at de kunne vikle sammen et elektron og et foton ved hjelp av en ringformet optisk mikroresonator og en stråle med høyenergielektroner som passerer ringen ved en tangent. Teknikken har applikasjoner for en kvanteprosess kalt "heralding" der det å oppdage en partikkel i et sammenfiltret par indikerer at den andre partikkelen er tilgjengelig for bruk i en kvantekrets – et godt eksempel på hvordan dagens grunnleggende fremskritt driver morgendagens innovasjoner.
En gripepose med kvanterartheter
Til slutt, som det er tradisjonelt (vi har gjort det to ganger, derfor er det en tradisjon), ingen liste over kvantehøydepunkter er komplett uten et nikk til alt som er rart og sjokkerende i feltet. Så la oss høre det for de amerikanske forskerne som brukte en kvanteprosessor for å simulere teleportering av informasjon gjennom et ormehull i rom-tid; en gruppe i Italia og Frankrike som satte harde tall på umulig å skille mellom fotoner; et internasjonalt team som brukte kvantebrudd på klassisk kausalitet til bedre forstå arten av årsak og virkning; og et uforferdet par fysikere ved University of Edinburgh, Storbritannia, som viste at kvantesignaler ville være en god måte for teknologisk avanserte romvesener for å etablere kontakt over interstellare avstander. Takk for at du holder quantum rare!
