En mer robust kvantkommunikation

Universitetslektor Guilherme B Xavier grundade ett laboratorium för kvantteknologi på Linköpings universitet 2018. I en nyligen publicerad artikel visar han och hans forskningsgrupp hur kvantkommunikation över långa sträckor skulle kunna göras mer tillförlitlig.

Alvaro Alarcón,  Joakim Argillander och Guilherme B Xavier. Alvaro Alarcón, Joakim Argillander och Guilherme B Xavier. Magnus Johansson

Vid sidan av artificiell intelligens är förmodligen kvantteknologi det just nu mest omtalade forskningsområdet inom teknik. I många länder, som Kina och USA, men också i Sverige, satsas det stort på forskning inom kvantteknologi.

Kvantmekaniken beskriver hur partiklar på atomnivå, till exempel fotoner, beter sig. Partiklarnas beteende skiljer sig ofta markant ifrån hur vi uppfattar världen till vardags. Men forskare har genom experiment visat att kvantmekanikens teorier fungerar i praktiken.  

– Ibland talar man om att vi befinner oss i en andra kvantrevolution. Numera kan vi kontrollera enskilda kvantsystem, berättar Guilherme B Xavier, universitetslektor vid Institutionen för systemteknik (ISY), som 2018 grundade ett kvantteknologi-laboratorium vid Linköpings universitet.

Bra för vissa typer av problem

De kvantdatorer som existerar idag är primitiva, men, precis som för AI, så finns det stora förhoppningar att man i framtiden kommer kunna bygga kvantdatorer som är extremt snabba. Precis som för AI finns det de som anser förhoppningarna överdrivna.

– En vanlig missuppfattning är att kvantdatorer kommer att ersätta vanliga datorer, men kvantdatorer är bara bra för vissa typer av problem. För andra problem är de inte bättre än en vanlig dator, säger Guilherme B Xavier.

Guilherme Xavier.Guilherme B Xavier. Photo credit Magnus Johansson

Varken svart eller vit

Ett av de centrala begreppen inom kvantmekaniken är ”superposition”. 

– Tänk att vi har en vit boll. I klassisk fysik så är den vit för alla och den är vit hela tiden. Om man skapar en kvantsuperposition av en vit boll och en svart boll, så är bollen varken vit eller svart, men den är inte heller grå . När du tittar på bollen kommer den vara vit eller svart, men vilken färg den har vet du först när du tittar på den, förklarar berättar Guilherme B Xavier.

Inom kvantteknologin spelar superposition en viktig roll eftersom den ligger bakom säkerheten i kvantkryptografi.

– En av de saker en kvantdator skulle kunna vara bra för är att simulera stora komplicerade system, som till exempel en stor molekyl, något som är svårt för en vanlig dator. Det skulle kunna vara användbart när man, till exempel, utvecklar läkemedel. 

Guilherme B Xavier och hans forskargrupp är specialiserade på kvantkommunikation, alltså hur kvantdatorer skickar information till varandra.  Ett underområde, där man särskilt kan dra nytta av kvantegenskaper, är kvantkryptering.

– Om du skickar information mellan två vanliga datorer så är det, i teorin, möjlig för en utomstående att läsa informationen utan att sändare och mottagare upptäcker det. I kvantkommunikation kommer information som skickas påverkas av att något läser den. Du kan alltså se om någon läst det du skickat, säger Guilherme B Xavier.  

Picture of the
Photo en ljusstråles donut -"spatial mode", vilken användes i experimentet.

Kommunicera över långa sträckor 

Tillsammans med sina två doktorander, Alvaro Alarcón och Joakim Argillander, har Guilherme B Xavier precis publicerat en artikel i den vetenskapliga tidskriften Physical Review Applied. Han berättar att den har två huvudpunkter.

–  Vi har undersökt olika sätt att skicka information i ett kvanttillstånd i en optisk fiberkabel. Ett sätt att koda information kallas ”time-bin” och det fungerar särskilt bra för långa sträckor. 

Ett problem med att kommunicera över långa sträckor att det uppstår förluster, men medan man i klassisk kommunikation kan man förstärka en signal, är det inte möjligt för kvantkommunikation.

–  Den första huvudpunkten i vår artikel är att vi föreslår ett nytt sätt koda informationen som minskar förlusterna i ett time-bin-kvantkommunikationssystem. 

Ljuset som skickas genom den optiska fiberkabeln har en form, som kallas för ”spatial mode”. Formen har betydelse för effektiviteten i kommunikationen. För att skapa en viss form måste ljuset gå ut ur kabeln och sedan genom en optisk komponent, som en lins, och sedan tillbaka in i kabeln. Det här kan innebära informationsförluster.

– Den andra huvudpunkten i artikeln är att vi lyckats skapa ” spatial mode” inuti själva kabeln och att vi bara använt har använt utrustning som finns att köpa kommersiellt. Det här innebär att kommunikationen blir mer robust.  

"Jag är optimistisk, men med förbehåll"

Guilherme B Xavier och hans forskargrupp kommer nu gå vidare med sina resultat.  Den publicerade artikel visar att deras idéer är genomförbara. Nästa steg blir att bygga ett kvantkommunikationssystem där de ska sända verklig krypterad information.

Det finns stora förhoppningar på kvantteknologi, på supersnabba datorer och säker informationsöverföring. Hur ser du på framtiden för området? 

–  Jag är optimistisk, men med förbehåll. Och även om det skulle visa sig att vi inte når så långt som vi hoppas, så har vi lärt oss så mycket på vägen som är användbart även utanför kvantteknologi.


Artikeln "Few-mode fiber technology fine-tunes losses of quantum communication systems" är tillgänglig här

Forskningen har finansierats av: Ceniit Linköping University, Vetenskapsrådet and the Wallenberg Center for Quantum Technologies.

KontaktVisa/dölj innehåll

Senaste nytt från LiUVisa/dölj innehåll