Af David Graff, AAU Kommunikation og Public Affairs

Verden over er der et kapløb i gang for at udvikle kvantecomputere. Og i det nye såkaldte Center of Excellence ved navn CLASSIQUE på Aalborg Universitet er arbejdet begyndt med at beregne, hvordan kvantecomputerne vil kunne anvendes til hurtigere, bedre og mere sikker kommunikation.

”Udgangspunktet er jo, at vi på et tidspunkt får kvantecomputere, som bl.a. kan danne grundlag for kommunikation via et kvanteinternet. Det kræver så, at vi er i stand til at få kvantecomputerne til at kommunikere med hinanden. Det er det, vi arbejder på”, forklarer professor Thomas Garm Pedersen fra Institut for Materialer og Produktion.

Fotonerne skal tvinges sammen

Kvantecomputere kan kommunikere ved hjælp af lys i eksempelvis optiske fibre. Det springende punkt i den sammenhæng er at få fotoner eller lyspartikler til at entangle, altså blive filtret sammen med hinanden. Entanglede fotoner er det, som skal bære informationen i kvantekommunikation.  

”Men det er en udfordring, for fotoner har ingen elektrisk ladning og vil typisk bare passere lige igennem hinanden uden at vekselvirke. Som når to lyskegler skinner gennem hinanden uden nogen gensidig påvirkning. En løsning kan være at finde nye materialer med særlige ”ulineære” optiske egenskaber. Gennem den slags materialer kan fotoner bringes til at vekselvirke og demed entangles”, siger Thomas Garm Pedersen.

I almindelige materialer med små ”ulineariteter” sker det, at fotoner entangler, men kun med en lille sandsynlighed. Og det er i følge Horia Cornean fra Institut for Matematiske Fag bare svært at arbejde med, når den entanglement kan opstå når som helst og hvor som helst i den slags materialer mellem to ud af milliarder af fotoner.

”Så en del af vores opgave er at identificere eller udvikle et materiale, hvor sandsynligheden for, at to fotoner entangler, er så tæt som muligt på 1”, uddyber han.

Kommunikation via teleportation

Hvis det lykkes at finde eller udvikle et materiale, hvor fotoner med tilstrækkelig høj sandsynlighed kan blive entanglet, er næste skridt at anvende fotonerne til kommunikation mellem kvantecomputere. 

”Når du skal sende kvanteinformation i form af fotoner, kan det ske via såkaldt kvanteteleportation. Det går ud på, at man fra en kilde udsender to sammenfiltrede fotoner til to kvantecomputere”, forklarer Thomas Garm Hansen og uddyber:

”Og da de fotoner er entanglede, må man tænke på dem som et samlet et kvantesystem frem for som partikler hver for sig.”

Næste skridt er så, at kvantesystemets to fotoner skal entangles med elektroner i de computere, de er sendt til.

”Et vigtigt element i kvanteteleportation er, at afsenderen foretager en måling på sit entanglede kvantesystem. Resultatet af målingen kan så sendes helt klassisk som almindelig information, typisk via fibre, men det kunne i princippet også være via en kobberledning”, siger Horia Cornean og spærrer øjnene op:

”Og det er så der, magien opstår: At information sendes mellem kvantecomputere betyder egentlig, at tilstanden i den computer, som afsender informationen, overtages i den modtagende computer. Informationen rejser egentlig ikke; der er ikke en elektron, der har flyttet sig. Det er derfor, vi kalder det teleportation.”

Kan forsvinde op i den blå luft

Der er en endnu et bemærkelsesværdigt kendetegn ved kvantekommunikation, som både er en fordel og en ulempe: Når man aflæser informationen, forsvinder den.

”Kvantecomputere kan ifølge kvantemekanisk teori overføre kommunikation i kraft af fotonernes entanglement. Men i det øjeblik fotonernes tilstand måles for at hente information ud af dem, ophører deres entanglement, og dermed forsvinder kommunikationen også op i den blå luft”, forklarer Thomas Garm Pedersen.

Det indebærer, at det altid vil blive opdaget, hvis nogen forsøger at infiltrere eller stjæle informationen. For det vil ændre hele systemet. Men det indebærer også, at det er en udfordring for dem, der rent faktisk skal modtage informationen, at få den ud.

”Derfor er det også en meget væsentlig del af vores arbejde at udvikle teoretiske beregninger og simuleringer af, hvordan fotonernes entanglement kan opretholdes så længe som overhovedet muligt,” slutter Horia Cornean.