Kwantumteleportatie begint de wereld te veranderen

Kwantumteleportatieooit beperkt tot de pagina’s van science fiction, wordt het gestaag een tastbare wetenschappelijke prestatie. De vooruitgang in de kwantummechanica van de afgelopen tien jaar heeft teleportatie van een theoretisch concept naar een experimentele realiteit getransformeerd.

Deze doorbraken hebben innovatieve methoden aan het licht gebracht voor het onmiddellijk verzenden van informatie over grote afstanden, wat transformatieve mogelijkheden biedt voor computergebruik, communicatie en cryptografie. Wetenschappers zijn nu dichter dan ooit bij het overbruggen van de kloof tussen verbeelding en realiteit op dit baanbrekende vakgebied.

In de kern is teleportatie in de kwantumwereld gaat niet over het fysiek vervoeren van objecten of mensen, zoals gepopulariseerd door franchises als StarTrek. In plaats daarvan gaat het om het overbrengen van kwantumtoestanden – in wezen de fundamentele eigenschappen van deeltjes zoals elektronen of fotonen – zonder fysieke beweging van de deeltjes zelf.

Dit wordt mogelijk gemaakt door kwantumverstrengeling, een fenomeen waarbij twee of meer deeltjes zo met elkaar verbonden raken dat de toestand van de een de ander rechtstreeks beïnvloedt, ongeacht hoe ver ze van elkaar verwijderd zijn.

In april 2022 werd een baanbrekend onderzoek onder leiding van Dr. Jian-Wei Pan, een natuurkundige aan de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van Chinarapporteerde een nieuw record in kwantumteleportatieafstand. Met behulp van verstrengelde fotonen hebben Pan en zijn team met succes kwantuminformatie over een afstand van 1200 kilometer via satelliet verzonden.

Gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrievende studie markeert een aanzienlijke sprong ten opzichte van eerdere experimenten die beperkt waren tot tientallen of honderden kilometers.

“We hebben aangetoond dat kwantumverstrengeling over ongelooflijk lange afstanden in stand kan worden gehouden met behulp van satellietverbindingen”, zegt Dr. Pan. “Dit maakt de weg vrij voor kwantumcommunicatienetwerken op wereldschaal.”

De sleutel tot het succes van het experiment ligt in het gebruik van Micius, een Chinese satelliet die in 2016 speciaal voor kwantumexperimenten werd gelanceerd. Micius creëert paren verstrengelde fotonen en zendt het ene foton naar een grondstation terwijl het andere aan boord van de satelliet blijft. Wanneer het foton op aarde wordt gemanipuleerd, reflecteert zijn tweelingbroer in de ruimte onmiddellijk dezelfde verandering, wat bewijst dat verstrengeling zelfs over enorme afstanden standhoudt.

In een aanvullende studie gepubliceerd in Natuuronderzoekers bij Technische Universiteit Delft in Nederland bereikte high-fidelity teleportatie van kwantumtoestanden tussen twee netwerkknooppunten zonder informatie te verliezen. Met behulp van stikstof-vacancycentra in diamanten om kwantumbits (qubits) te creëren en op te slaan, toonden ze een teleportatienauwkeurigheid van 90% aan, een record voor terrestrische kwantumnetwerken.

“Het bereiken van zo’n hoog nauwkeurigheidsniveau laat zien dat praktische kwantumnetwerken haalbaar zijn”, zegt dr. Ronald Hanson, hoofdwetenschapper van het project. “Dit brengt ons dichter bij het bouwen van een kwantuminternet dat in staat is tot onhackbare communicatie.”

A grootste hindernis bij kwantumteleportatie is ruis: ongewenste verstoringen die de overdracht van kwantuminformatie kunnen verstoren. In mei 2024 ontdekten onderzoekers van de Universiteit van Turku in Finland en de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China in Hefei hebben een baanbrekende ontdekking gedaan: bepaalde soorten ruis kunnen de kwaliteit van kwantumteleportatie daadwerkelijk verbeteren.

Door gebruik te maken van meerdelige hybride verstrengeling, waarbij verschillende fysieke eigenschappen van deeltjes met elkaar verstrengeld worden, bereikten ze een vrijwel perfecte teleportatie, zelfs in luidruchtige omgevingen. Professor Chuan-Feng Li van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China verklaarde: « Dit is een belangrijk proof-of-principle-experiment in de context van een van de belangrijkste kwantumprotocollen. »

Hierop voortbouwend bereikte het team onder leiding van academicus Guangcan Guo in juni 2024 ondanks omgevingslawaai een teleportatiegetrouwheid van bijna 90%. Ze gebruikten een nieuwe methode waarbij sprake was van hybride verstrengeling tussen de polarisatie en frequentie van fotonen, waardoor ruisinterferentie effectief werd tegengegaan. Deze vooruitgang is een belangrijke stap in de richting van praktische kwantumcommunicatiesystemen die in reële omstandigheden kunnen werken.

Ze hebben hun methode experimenteel geverifieerd met behulp van driedimensionale kwantumteleportatie, waarmee ze de geldigheid ervan hebben aangetoond en de weg hebben vrijgemaakt voor complexere kwantumcommunicatieprotocollen.

Ze toonden aan dat door het verspreiden van verstrengeling en het gebruik van lokale operaties en klassieke communicatie (LOCC) om kwantumteleportatie uit te voeren, het mogelijk is om versnellingen te bereiken ten opzichte van traditionele, op swaps gebaseerde routeringsmethoden. Deze bevinding heeft aanzienlijke gevolgen voor de efficiëntie van kwantumcomputernetwerken.

De gevolgen van deze vooruitgang zijn diepgaand. Kwantumteleportatie zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van kwantumnetwerken die gegevens met ongeëvenaarde veiligheid verzenden. Traditionele versleutelingsmethoden zijn gebaseerd op complexe algoritmen die in theorie kunnen worden gekraakt door voldoende geavanceerde computers. Kwantumcommunicatiemaakt echter gebruik van verstrengelde deeltjes om afluisteren te detecteren, aangezien elke interferentie de verstrengelde toestand verstoort en de zender en ontvanger waarschuwt.

Voor overheden en industrieën die afhankelijk zijn van veilige communicatie – zoals het bankwezen, de gezondheidszorg en de nationale defensie – zou dit een ongekend niveau van gegevensbescherming kunnen betekenen. De Quantum Internet Alliance van de Europese Unie investeert nu al miljoenen in de opbouw van een continentbreed kwantumcommunicatienetwerk tegen 2030.

Naast de beveiliging zou kwantumteleportatie ook kwantumcomputing een boost kunnen geven, waarbij informatie exponentieel sneller wordt verwerkt dan bij klassiek computergebruik.

Een studie van de Universiteit van Chicagoonder leiding van natuurkundige Dr. David Schuster, onthulde dat teleportatie kwantumprocessors efficiënt over afstanden kan verbinden. Gepubliceerd in Natuurcommunicatiehet onderzoek schetst een methode voor het opschalen van kwantumcomputers door processors met elkaar te verbinden via verstrengelde fotonen. Dit overwint de beperkingen van fysieke bedrading, waardoor krachtigere en onderling verbonden systemen mogelijk zijn.

“De teleportatie van kwantumtoestanden tussen processors is een belangrijke stap in de richting van het creëren van een schaalbare kwantumcomputer”, aldus Dr. Schuster. “Deze technologie kan een revolutie teweegbrengen in industrieën, van de ontdekking van medicijnen tot kunstmatige intelligentie.”

Ondanks deze successen wordt de kwantumteleportatie geconfronteerd met aanzienlijke hindernissen. Een grote uitdaging is decoherentie: het verlies van kwantuminformatie als gevolg van omgevingsfactoren zoals temperatuurschommelingen of elektromagnetische interferentie. Dit maakt het handhaven van verstrengeling gedurende lange perioden een technische prestatie.

Bovendien staat de infrastructuur die nodig is voor grootschalige kwantumnetwerken nog in de kinderschoenen. Het verzenden van fotonen via optische vezels leidt bijvoorbeeld tot signaalverlies over afstanden langer dan 100 kilometer, wat satellieten zoals Micius helpen verminderen. Echter, het creëren van een mondiaal kwantumnetwerk zal een hybride aanpak vergen, waarbij satellietverbindingen worden gecombineerd met terrestrische glasvezelkabels.

Kosten zijn een andere overweging. Het bouwen en onderhouden van kwantuminfrastructuur is duur, omdat veel projecten afhankelijk zijn van overheidsfinanciering. Het Amerikaanse National Quantum Initiative, gelanceerd in 2018, heeft bijvoorbeeld meer dan $ 1 miljard toegewezen aan kwantumonderzoek, inclusief teleportatie. Soortgelijke investeringen worden gedaan door de Europese Unie en China.

Het langetermijnpotentieel van kwantumteleportatie reikt verder dan veilige communicatie en computergebruik. In de theoretische natuurkunde verdiepen teleportatie-experimenten ons begrip van het universum.

Recent onderzoek van de Californië Instituut voor Technologie (Caltech) suggereert dat teleportatie inzicht zou kunnen verschaffen in de aard van de ruimtetijd en zwarte gaten. Dr. John Preskill, een kwantumfysicus bij Caltech, stelt dat kwantumverstrengeling aanwijzingen kan bevatten voor het oplossen van de ‘informatieparadox’ in zwarte gaten.

“Deze experimenten zijn niet alleen technologische hoogstandjes”, zegt Dr. Preskill. “Ze bieden ook toegang tot enkele van de diepste vragen over het universum.”

Bovendien zou teleportatie uiteindelijk de energietransmissie kunnen beïnvloeden. Hoewel het concept van het ‘stralen’ van energie via kwantummethoden speculatief blijft, geven vroege onderzoeken aan dat dit mogelijk zou kunnen zijn energie teleporteren staten onder specifieke omstandigheden. Dit zou deuren kunnen openen naar energiedistributiesystemen die veel efficiënter en minder verspillend zijn dan de huidige netwerken.

Wat betekent dit allemaal voor jou? Kwantumteleportatie is niet langer een futuristische fantasie, maar een tastbare technologie die de manier waarop informatie (en misschien ooit energie) wordt overgedragen, opnieuw vormgeeft. De vooruitgang die wetenschappers als Dr. Pan, Dr. Hanson en Dr. Schuster hebben geboekt, legt de basis voor een toekomst waarin veilige mondiale communicatiesuperkrachtig computergebruik en zelfs nieuwe vormen van energietransmissie worden de norm.

Terwijl de barrières van afstand en snelheid blijven afbrokkelen onder het gewicht van deze ontdekkingen, beginnen de echte toepassingen van teleportatie vorm te krijgen. Hoewel er nog veel uitdagingen bestaan, is de belofte van deze technologie enorm.

Teleportatie is misschien nog niet klaar om mensen te vervoeren, maar het potentieel ervan om de samenleving te transformeren is net zo opwindend als de sciencefictiondromen die het ooit inspireerde.