Kvantfysiker firade i oktober när Nobelkommittén tilldelade en efterlängtade fysikpris till Alain Aspect, John Clauser och Anton Zeilinger för deras banbrytande forskning om quantum intrassling. Men samhället har verkligen inte vilat på sina lagrar, och med så många andra spännande utvecklingar under 2022 är det svårt att bara välja några höjdpunkter. Ändå är här några resultat som stack ut för oss inom områdena kvantavkänning, kvantinformation, kvantberäkning, kvantkryptografi och grundläggande kvantvetenskap.
Inom kvantmekaniken säger principen om delokalisering att en kvantpartikel kan, i någon handvågig mening, finnas på flera ställen samtidigt. Principen om intrassling säger samtidigt att kvantpartiklar upplever ett samband som gör att en partikels tillstånd kan bestämma en annans tillstånd, även över stora avstånd. I november använde fysiker vid JILA i Colorado, USA, en kombination av intrassling och delokalisering för att undertrycka brus som tidigare hade gjort det omöjligt att känna av accelerationer under den så kallade kvantgränsen. Denna gräns sätts av kvantbruset från enskilda partiklar, och det har länge varit ett betydande hinder för kvantsensorernas precision. Att övervinna det är alltså ett stort steg framåt.
Att skicka kvantinformation från en nod i ett nätverk till en annan är inte lätt. Om du kodar informationen i fotoner som skickas ner i en optisk fiber, äter förluster i fibern på signalens trohet tills den blir oläslig. Om man istället använder kvantentanglement för att teleportera informationen direkt introducerar man andra processer som tyvärr också försämrar signalen. Lägger till en tredje nod till nätverket, som fysiker på QuTech i Nederländerna gjorde 2021, gör bara uppgiften svårare. Det är därför det är så imponerande att QuTech-forskarna följde upp sin tidigare framgång genom att teleportera kvantinformation från en avsändare (Alice) till en mottagare (Charlie) via en mellannod (Bob). Även om troheten för Alice-Bob-Charlie-överföringen bara var 71 %, är det högre än den klassiska gränsen på 2/3, och för att uppnå det krävde forskarna att kombinera och optimera flera utmanande experiment. Kommer Dave, Edna och Fred noder att ansluta sig till nätverket 2023? Vi får se!
Om det inte framgick av de två första höjdpunkterna i den här listan, är brus ett stort problem inom kvantvetenskapen. Detta är lika sant för datoranvändning som för avkänning och kommunikation, och det är därför det är så viktigt att korrigera dessa brusinducerade fel. Fysiker gjorde flera framsteg på denna front 2022, men en av de mest betydelsefulla kom i maj när forskare vid universitetet i Innsbruck, Österrike och RWTH Aachen University i Tyskland visade en komplett uppsättning feltoleranta kvantoperationer för första gången. Deras jonfälla kvantdator använder sju fysiska qubits för att göra varje logisk qubit, plus "flagga" qubits för att signalera närvaron av farliga fel i systemet. Avgörande var att den felkorrigerade versionen av systemet fungerade bättre än den enklare okorrigerade, vilket illustrerar teknikens möjligheter.
Informationssäkerhet är kvantkryptografins USP, men information är alltid lika säker som den svagaste länken i kedjan. I kvantnyckeldistribution (QKD) är en potentiell svag länk enheterna som används för att skicka och ta emot nycklarna, som är sårbara för konventionella hack (som någon som bryter sig in i en nod och manipulerar systemet) även om nycklarna i sig är säkra mot quantum. Ett alternativ är att använda enhetsoberoende QKD (DIQKD), som använder mätningar av Bell-ojämlikheter i fotonpar för att bekräfta att nyckelgenereringsprocessen inte har fudged. I juli demonstrerade två oberoende grupper av forskare DIQKD experimentellt för första gången – i ett fall genom att generera 1.5 miljoner intrasslade Bell-par under en period av åtta timmar och använda dem för att generera en delad nyckel 95 884 bitar lång. Även om nyckelgenereringshastigheten måste vara högre för att göra DIQKD praktiskt för krypterade nätverk i verkligheten, är principbeviset fantastiskt.
De andra intrasslade partiklarna i denna höjdpunktslista är alla identiska: fotoner intrasslade med andra fotoner, joner med andra joner, atomer med andra atomer. Men det finns inget i kvantteorin som kräver den här typen av symmetri, och en ny klass av "hybrid" kvantteknologier är faktiskt beroende av att blanda ihop saker. Ange forskare under ledning av Armin Feist från Max Planck Institute for Multidisciplinary Sciences i Tyskland, som visade i augusti att de kunde trassla in en elektron och en foton med hjälp av en ringformad optisk mikroresonator och en stråle av högenergielektroner som passerar ringen på en tangent. Tekniken har tillämpningar för en kvantprocess som kallas "heralding" där detektering av en partikel i ett intrasslat par indikerar att den andra partikeln är tillgänglig för användning i en kvantkrets – ett bra exempel på hur dagens grundläggande framsteg driver morgondagens innovationer.
En grippåse med kvantkonstigheter
Slutligen, som det är traditionellt (vi har gjort det två gånger, därför är det en tradition), ingen lista över kvanthöjdpunkter är komplett utan en nick till allt som är konstigt och häpnadsväckande på området. Så låt oss höra det för de amerikanska forskarna som använde en kvantprocessor för att simulera teleportering av information genom ett maskhål i rum-tid; en grupp i Italien och Frankrike som satte hårda siffror på omöjlig att särskilja fotoner; ett internationellt team som använde kvantkränkningar av klassisk kausalitet för att bättre förstå karaktären av orsak och verkan; och ett oförskräckt par fysiker vid University of Edinburgh, Storbritannien, som visade att kvantsignaler skulle vara ett bra sätt för tekniskt avancerade utomjordingar att etablera kontakt över interstellära avstånd. Tack för att du håller quantum konstigt!
