Forskare vid University of Illinois Urbana-Champaign har tagit ett stort steg mot att göra kvantteleportering till en praktisk verklighet. Genom att använda en nanofotonisk plattform och icke-linjära optiska processer har de uppnått en kvantteleportering med en imponerande 94 % trohet (fidelity). Detta genombrott, publicerat i Physical Review Letters (22 april 2025), kan bana väg för framtida kvantkommunikationsnätverk där information överförs på sätt som tidigare bara funnits i science fiction.
Vad är kvantteleportering?
Kvantteleportering är en process där kvantinformation, som tillståndet hos en partikel, överförs från en plats till en annan utan att själva partikeln fysiskt transporteras. Detta möjliggörs genom kvantsammanflätning (entanglement), där två partiklar förblir kopplade oavsett avståndet mellan dem. När en mätning görs på en av partiklarna påverkas den andra omedelbart, vilket gör det möjligt att överföra information.
Problemet med tidigare metoder
Trots att kvantteleportering har varit teoretiskt möjlig i decennier har praktiska tillämpningar begränsats av två huvudsakliga problem:
- Multiphotonbrus: I realistiska sammanflätade fotonkällor produceras ofta fler än ett par fotoner samtidigt, vilket skapar brus och osäkerhet om vilka fotoner som faktiskt är sammanflätade.
- Låg effektivitet: Tidigare metoder för att filtrera bort brus och förbättra teleporteringens trohet har varit extremt ineffektiva, med mycket låg sannolikhet för framgångsrik teleportering.
Genombrottet: En nanofotonisk plattform och icke-linjära optiska processer
Forskarna använde en indium-gallium-fosfid nanofotonisk plattform för att dramatiskt förbättra effektiviteten och troheten i kvantteleportering. Plattformen utnyttjar en icke-linjär optisk process som kallas sum frequency generation (SFG), där två fotoner med olika frekvenser kombineras för att skapa en ny foton med en ny frekvens.
Fördelar med den nya metoden:
- Hög trohet: Den nya metoden uppnådde en trohet på 94 %, vilket är en dramatisk förbättring jämfört med tidigare system som använde linjära optiska komponenter.
- Minskning av multiphotonbrus: SFG-processen filtrerar effektivt bort brus genom att endast tillåta specifika fotoninteraktioner, vilket säkerställer att endast sammanflätade fotoner används.
- Ökad effektivitet: Tidigare hade SFG en mycket låg sannolikhet för framgång (1 på 100 miljoner), men forskarna lyckades öka effektiviteten med en faktor på 10 000, till 1 på 10 000.
Hur fungerar det?
- Sammanflätning: Två fotoner skapas i ett sammanflätat tillstånd.
- Sum frequency generation (SFG): Fotonerna interagerar i den nanofotoniska plattformen, där deras frekvenser kombineras för att skapa en ny foton. Endast fotoner med specifika frekvenser kan delta i denna process, vilket minskar brus.
- Teleportering: Informationen från en foton överförs till en annan genom kvantteleportering, med hög trohet och minimal påverkan från externa störningar.
Betydelse och framtida tillämpningar
För kvantkommunikation:
- Denna teknik kan användas för att bygga kvantnätverk där information överförs säkert och effektivt över långa avstånd.
- Den kan också förbättra entanglement swapping, en process som är avgörande för att skapa stora kvantnätverk.
För grundforskning:
- Genombrottet öppnar nya möjligheter att studera kvantmekaniska fenomen som sammanflätning och superposition i mer kontrollerade miljöer.
För praktiska tillämpningar:
- Med ytterligare förbättringar kan tekniken användas i framtida kvantinternet, där information överförs med oöverträffad säkerhet och hastighet.
Slutsats
Genom att kombinera nanofotonik och icke-linjära optiska processer har forskarna vid University of Illinois Urbana-Champaign tagit ett stort steg mot att göra kvantteleportering till en praktisk verklighet. Med en trohet på 94 % och en dramatisk förbättring av effektiviteten visar denna forskning att kvantkommunikation med enstaka fotoner inte bara är möjlig, utan också lovande för framtida tillämpningar.
Referenser
- O’Boyle, M. (2025). From Sci-Fi to Reality: Single-Photon Teleportation Breakthrough. University of Illinois Grainger College of Engineering.
- Akin, J., Zhao, Y., Kwiat, P. G., Goldschmidt, E. A., & Fang, K. (2025). Faithful Quantum Teleportation via a Nanophotonic Nonlinear Bell State Analyzer. Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.160802
