In een baanbrekende studie gepubliceerd in het tijdschrift Nature heeft een team van natuurkundigen onder leiding van dr. Michelle Simmons van de Universiteit van New South Wales (UNSW) in Sydney, Australië, aangetoond dat realtime kwantumfoutcorrectie haalbaar is in kwantumcommunicatie. Deze vooruitgang vertegenwoordigt een belangrijke stap in de richting van het veiligstellen van de overdracht van kwantuminformatie en zou een revolutie teweeg kunnen brengen in de toekomst van kwantumcomputers en kwantumcryptografie.

Kwantumcommunicatie maakt, in tegenstelling tot zijn klassieke tegenhanger, gebruik van de principes van de kwantummechanica om informatie te verzenden. Dit biedt aanzienlijke mogelijkheden voor veilige communicatiemethoden en heeft de aandacht van de wetenschappelijke gemeenschap getrokken. Kwantuminformatie is echter inherent kwetsbaar en vatbaar voor fouten, voornamelijk als gevolg van interacties met de omgeving.

Kwantumfoutcorrectie (QEC) is voorgesteld als een oplossing voor deze uitdagingen. Door redundante qubits in de verzonden informatie op te nemen en specifieke bewerkingen uit te voeren, kunnen QEC-technieken fouten detecteren en corrigeren die tijdens de verzending kunnen optreden. De conventionele benadering van QEC omvat echter complexe multi-qubit-interacties die nauwkeurige controle en realtime feedback vereisen, die als belangrijke hindernissen voor de implementatie ervan werden beschouwd.

In hun onderzoek zijn Dr. Simmons en haar collega's erin geslaagd deze uitdagingen te overwinnen door middel van een nieuwe aanpak waarbij een hybride kwantum-klassiek systeem betrokken is. Ze realiseerden QEC door kwantumberekeningen in solid-state qubits te combineren met klassieke berekeningen op een field-programmable gate array (FPGA). Deze opstelling maakte realtime foutcorrectie mogelijk terwijl de kwantuminformatie werd verzonden.

Het team implementeerde een QEC-protocol dat bekend staat als de three-qubit-code. Dit protocol vereist drie fysieke qubits om één qubit aan kwantuminformatie te coderen. Door gebruik te maken van de FPGA voor realtime monitoring werden fouten in realtime gedetecteerd en gecorrigeerd, waardoor de integriteit van de verzonden kwantuminformatie behouden bleef.

De demonstratie van real-time QEC is een grote doorbraak in kwantumcommunicatie. Het maakt de weg vrij voor de ontwikkeling van betrouwbaardere kwantumcommunicatienetwerken, die de basis kunnen vormen voor ultraveilige communicatieprotocollen en vooruitgang op het gebied van kwantumcomputing en kwantumdetectie.

Om de betekenis van deze prestatie beter te begrijpen, gaan we dieper in op de implicaties en potentiële toepassingen van realtime QEC in kwantumcommunicatie:

1. Veilige communicatie:Kwantumcommunicatie biedt de belofte van onbreekbare communicatiekanalen, vooral in scenario's waarbij sprake is van gevoelige informatie-uitwisseling of diplomatieke communicatie. Het beschermen van de overdracht van kwantuminformatie tegen fouten en afluisterpogingen is echter van cruciaal belang om het volledige potentieel van kwantumnetwerken te realiseren. Real-time QEC verbetert de beveiliging van kwantumcommunicatie door fouten te detecteren en te corrigeren die kunnen voortkomen uit ruis en andere nadelige effecten.

2. Kwantumcomputing:De ontwikkeling van kwantumcomputers heeft aanzienlijke aandacht gekregen vanwege hun potentieel voor exponentiële versnelling bij het oplossen van complexe rekenproblemen die momenteel hardnekkig zijn met klassieke computers. Kwantumcomputers zijn echter uiterst gevoelig voor fouten, waardoor hun praktische toepassingen worden beperkt. De mogelijkheid om realtime QEC uit te voeren opent nieuwe mogelijkheden voor het bereiken van betrouwbare kwantumberekeningen door fouten aan te pakken en te beperken die zich tijdens berekeningen voordoen.

3. Kwantumdetectie:Kwantumsensoren maken gebruik van kwantumfenomenen om fysieke eigenschappen te meten met een uitzonderlijke gevoeligheid, die de klassieke sensoren ver overtreft. Real-time QEC kan de nauwkeurigheid en precisie van kwantumsensoren verbeteren door de impact van omgevingsgeluid en andere bronnen van fouten die de meetresultaten in gevaar zouden kunnen brengen, te minimaliseren. Dit zou vooruitgang mogelijk kunnen maken op gebieden als biomedische detectie, microscopie en zwaartekrachtgolfdetectie.

4. Kwantummetrologie:Kwantummetrologie maakt gebruik van kwantumprincipes om de nauwkeurigheid van verschillende metingen te verbeteren, zoals tijdwaarneming, afstandsmetingen en detectie van magnetische velden. Real-time QEC kan de effecten van decoherentie en onnauwkeurigheid verzachten, waardoor zeer nauwkeurige metingen en verbeterde prestaties van kwantummetrologische apparaten mogelijk worden.

Concluderend vertegenwoordigt de demonstratie van realtime kwantumfoutcorrectie door natuurkundigen van UNSW een belangrijke mijlpaal op het gebied van kwantumcommunicatie. Door de uitdagingen te overwinnen die gepaard gaan met conventionele QEC-benaderingen, houdt deze doorbraak belofte in voor de ontwikkeling van veiligere kwantumcommunicatienetwerken en vooruitgang op het gebied van kwantumcomputing, kwantumdetectie, kwantummetrologie en aanverwante technologieën.