Et internasjonalt forskningsprosjekt skal utvikle teknologi som kan gjøre det mulig å sende kvanteinformasjon over langt større avstander enn i dag. De såkalte kvanteminnene kan bli avgjørende for sikre kommunikasjonsnett mellom byer, transportmidler og satellitter – og på lengre sikt danne grunnlaget for et kvanteinternett.
Et internasjonalt forskerteam skal bruke de neste tre årene på å utvikle teknologi for langtrekkende kvantenettverk. Prosjektet har fått rundt to millioner euro i finansiering fra EU og ledes av University of Strathclyde i Skottland.
Forskningsprosjektet har fått navnet AL FreSQO, en forkortelse for Atom-Light Free-Space Quantum Optics networking. Målet er å utvikle såkalte kvanteminner som kan lagre kvanteinformasjon midlertidig og gjøre det mulig å overføre den over større avstander.
Slike minner kan få en funksjon som på enkelte måter kan sammenlignes med mellomlagring av data i dagens digitale nettverk. Forskjellen er at kvanteinformasjon er langt mer sårbar enn tradisjonelle data og ikke kan kopieres eller forsterkes på vanlig måte. Dette er en av de største tekniske hindringene på veien mot omfattende kvantenettverk.
Kvantesignaler forsvinner lett
Tradisjonell digital informasjon kan sendes over store avstander fordi signalene kan leses, kopieres og forsterkes underveis. Med kvanteinformasjon er dette langt vanskeligere. Kvantesignaler er svært skjøre og kan gå tapt når avstanden øker. Samtidig setter kvantefysikkens lover begrensninger for hvordan informasjonen kan behandles. En ukjent kvantetilstand kan ikke uten videre kopieres, slik digitale data kan.
– Kvantesignaler er skjøre og går lett tapt over lange avstander. Fordi de ikke kan kopieres eller forsterkes, trenger vi nye metoder for å øke rekkevidden, forklarer professor Daniel Oi ved University of Strathclyde.
Forskerne vil derfor utvikle såkalte kvanterepeatere. I stedet for å forsøke å sende et kvantesignal direkte over hele avstanden, kan forbindelsen deles opp i flere kortere strekninger.
Kvanteminnene skal oppbevare informasjonen ved de forskjellige knutepunktene. Deretter kan forbindelsene kobles sammen gjennom såkalt sammenfiltringsbytte. På denne måten kan kvantetilstander i prinsippet distribueres over langt større avstander.
Sammenfiltring er den sentrale ressursen
Teknologien bygger på kvantemekanisk sammenfiltring. Det er et fysisk fenomen hvor to eller flere kvantesystemer får egenskaper som er forbundet med hverandre, selv når systemene befinner seg langt fra hverandre. Sammenfiltring regnes som en grunnleggende ressurs for kvantekommunikasjon, distribuerte kvanteberegninger og svært presise sensornettverk.
I et fremtidig kvantenettverk kan sammenfiltring blant annet brukes til å etablere kommunikasjonsforbindelser hvor forsøk på avlytting kan oppdages. Teknologien kan også gjøre det mulig å koble kvantedatamaskiner og kvantesensorer sammen.
Det betyr imidlertid ikke at prosjektet allerede har utviklet et ferdig kvanteinternett. AL FreSQO er et treårig forskningsprosjekt som skal utvikle og teste enkelte av komponentene som kan bli nødvendige i slike nettverk. Veien fra eksperimentell teknologi til kommersiell infrastruktur kan fortsatt være lang.
Skal sende signalene gjennom luften
En sentral del av prosjektet er å undersøke kommunikasjon gjennom såkalte optiske friluftsforbindelser. Det innebærer at lyssignalene sendes gjennom luften eller verdensrommet i stedet for gjennom fiberkabler. Fiber vil fortsatt være viktig i fremtidige kvantenettverk, men kan ikke benyttes overalt. Forbindelser mellom bakken og satellitter, eller mellom bevegelige transportmidler, krever andre løsninger.
Teknologien kan derfor få anvendelser innen romfart, luftfart, skipsfart, jernbane og veitransport. Kvantekommunikasjon gjennom friluftsforbindelser kan være særlig relevant der det er upraktisk eller umulig å bygge et sammenhengende fibernett. Forskerne skal samtidig arbeide med å konvertere lysets bølgelengde. Kvantesystemer og dagens telekommunikasjonsnett benytter ikke nødvendigvis de samme bølgelengdene. Det skaper utfordringer når forskjellige teknologier skal kobles sammen.
Ved å omforme lyssignalene kan forskerne gjøre det lettere å bygge nettverk som kombinerer fiberforbindelser, friluftsforbindelser og kvanteminner.
– Frekvenskonvertering gjør det mulig å koble sammen frilufts- og fibernettverk ved å tilpasse forskjellige bølgelengder. Det gir større fleksibilitet i hvordan kvantenettverkene bygges, sier Oi.
Vil redusere behovet for omfattende kjøling
AL FreSQO skal utvikle kvanteminner basert på kalde atomer. Forskerne mener denne tilnærmingen kan redusere behovet for store og energikrevende kryogeniske systemer som brukes i flere alternative kvanteteknologier. Mange kvantesystemer må kjøles ned til temperaturer nær det absolutte nullpunktet for å fungere. Dette gjør utstyret komplisert, kostbart og vanskelig å plassere utenfor kontrollerte laboratorier.
Mindre avhengighet av omfattende kjøleanlegg kan gjøre teknologien bedre egnet for mobile og avsidesliggende installasjoner. Det kan være avgjørende dersom kvanteminner en dag skal plasseres i satellitter, fly, skip eller andre transportmidler.
Prosjektet skal også gjennomføre eksperimenter med såkalt ikke-destruktiv kvantemåling. Målet er å registrere et foton uten å ødelegge det. Fotoner, eller lyspartikler, brukes til å bære kvanteinformasjon mellom nettverkets forskjellige komponenter.
Seks universiteter og teknologimiljøer deltar
University of Strathclyde leder prosjektet i samarbeid med University of Southampton, Universitetet i Padova, Humboldt-universitetet i Berlin og Sabancı-universitetet i Tyrkia. Det italienske teknologiselskapet ThinkQuantum, som har sitt utspring fra Universitetet i Padova, deltar også i arbeidet. Samarbeidet samler kompetanse innen kvanteoptikk, atomfysikk, faststoffysikk og systemutvikling. Prosjektet er finansiert gjennom QuantERA, et europeisk program for samarbeid om forskning på kvanteteknologi.
AL FreSQO er også knyttet til Storbritannias Integrated Quantum Networks Hub og støtter den britiske kvantestrategiens mål om å utvikle avanserte kvantenettverk i stor skala innen 2035.
Kan få betydning for sikkerhet og transport
Dersom forskerne lykkes, kan teknologien på lengre sikt benyttes innen sikker kommunikasjon, synkronisering av klokker og sammenkoblede sensornettverk.
Presis klokkesynkronisering er blant annet viktig for telekommunikasjon, finansielle transaksjoner, kraftsystemer og navigasjon. Kvantesensorer kan på sin side brukes til svært nøyaktige målinger innen industri, transport, geologi og forsvar.