Flitsen van wat een transformatieve nieuwe technologie kan worden, schieten door een netwerk van optische vezels onder Chicago.

Onderzoekers hebben een van 's werelds grootste netwerken gecreëerd voor het delen van kwantuminformatie - een wetenschapsgebied dat afhankelijk is van paradoxen die zo vreemd zijn dat Albert Einstein ze niet geloofde.

Het netwerk, dat de Universiteit van Chicago verbindt met het Argonne National Laboratory in Lemont, is een rudimentaire versie van wat wetenschappers hopen ooit het internet van de toekomst te worden. Voorlopig is het opengesteld voor bedrijven en onderzoekers om de basisprincipes van het delen van kwantuminformatie te testen.

Het netwerk werd deze week aangekondigd door de Chicago Quantum Exchange, waarbij ook het Fermi National Accelerator Laboratory, de Northwestern University, de University of Illinois en de University of Wisconsin betrokken zijn.

Met een federale investering van 500 miljoen dollar in de afgelopen jaren en 200 miljoen dollar van de staat vormen Chicago, Urbana-Champaign en Madison een toonaangevende regio voor onderzoek naar kwantuminformatie.

Waarom is dit van belang voor de gemiddelde persoon? Omdat kwantuminformatie de potentie heeft om momenteel onoplosbare problemen op te lossen, privé-informatie te bedreigen en te beschermen, en kan leiden tot doorbraken in de landbouw, geneeskunde en klimaatverandering.

Terwijl klassiek computergebruik stukjes informatie gebruikt die een 1 of een nul bevatten, zijn kwantumbits of qubits als een munt die in de lucht wordt gegooid - ze bevatten zowel een 1 als een nul, die worden bepaald zodra deze is waargenomen.

Die eigenschap om in twee of meer toestanden tegelijk te zijn, superpositie genoemd, is een van de vele paradoxen van de kwantummechanica:hoe deeltjes zich gedragen op atomair en subatomair niveau. Het is ook een potentieel cruciaal voordeel, omdat het exponentieel complexere problemen aankan.

Een ander belangrijk aspect is de eigenschap van verstrengeling, waarbij door grote afstanden gescheiden qubits toch gecorreleerd kunnen worden, zodat een meting op één plaats een meting ver weg onthult.

Het onlangs uitgebreide Chicago-netwerk, gecreëerd in samenwerking met Toshiba, verspreidt lichtdeeltjes, fotonen genaamd. Proberen de fotonen te onderscheppen vernietigt ze en de informatie die ze bevatten, waardoor het veel moeilijker wordt om te hacken.

Het nieuwe netwerk stelt onderzoekers in staat om "de grenzen te verleggen van wat momenteel mogelijk is", zegt professor David Awschalom van de Universiteit van Chicago, directeur van de Chicago Quantum Exchange.

Onderzoekers moeten echter veel praktische problemen oplossen voordat grootschalige quantum computing en netwerken mogelijk zijn.

Onderzoekers van Argonne werken bijvoorbeeld aan het creëren van een "gieterij" waar betrouwbare qubits kunnen worden gesmeed. Een voorbeeld is een diamantmembraan met kleine vakjes om qubits informatie vast te houden en te verwerken. Onderzoekers van Argonne hebben ook een qubit gemaakt door neon te bevriezen om een ​​enkel elektron vast te houden.

Omdat kwantumverschijnselen extreem gevoelig zijn voor elke verstoring, kunnen ze ook worden gebruikt als kleine sensoren voor medische of andere toepassingen, maar ze moeten ook duurzamer worden gemaakt.

Het kwantumnetwerk werd in 2020 in Argonne gelanceerd, maar is nu uitgebreid naar Hyde Park en opengesteld voor gebruik door bedrijven en onderzoekers om nieuwe communicatieapparaten, beveiligingsprotocollen en algoritmen te testen. Elke onderneming die afhankelijk is van beveiligde informatie, zoals de financiële gegevens van banken of medische dossiers van ziekenhuizen, zou een dergelijk systeem mogelijk kunnen gebruiken.

Hoewel kwantumcomputers nu in ontwikkeling zijn, kunnen ze op een dag misschien veel complexere berekeningen uitvoeren dan huidige computers, zoals vouweiwitten, die nuttig zouden kunnen zijn bij het ontwikkelen van medicijnen voor de behandeling van ziekten zoals de ziekte van Alzheimer.

Naast het stimuleren van onderzoek stimuleert het kwantumveld de economische ontwikkeling in de regio. Een hardwarebedrijf, EeroQ, kondigde in januari aan dat het zijn hoofdkantoor naar Chicago verhuist. Een ander lokaal softwarebedrijf, Super.tech, is onlangs overgenomen en verschillende andere starten in de regio.

Omdat kwantumcomputing kan worden gebruikt om traditionele codering te hacken, heeft het ook de aandacht van twee partijen getrokken door federale wetgevers. De National Quantum Initiative Act werd in 2018 ondertekend door president Donald Trump om de kwantumontwikkeling voor nationale veiligheidsdoeleinden te versnellen.

In mei gaf president Joe Biden het federale agentschap de opdracht om te migreren naar kwantumresistente cryptografie op zijn meest kritieke verdedigings- en inlichtingensystemen.

Ironisch genoeg zijn wiskundige basisproblemen, zoals 5+5=10, enigszins moeilijk door kwantumcomputers. Kwantuminformatie zal waarschijnlijk worden gebruikt voor geavanceerde toepassingen, terwijl klassiek computergebruik waarschijnlijk praktisch zal blijven voor veel dagelijks gebruik.

De beroemde natuurkundige Einstein bespotte de paradoxen en onzekerheden van de kwantummechanica en zei dat God niet "dobbelt" met het universum. Maar kwantumtheorieën zijn correct gebleken in toepassingen van kernenergie tot MRI's.

Stephen Gray, senior wetenschapper bij Argonne, die werkt aan algoritmen om op kwantumcomputers te draaien, zei dat kwantumwerk erg moeilijk is en dat niemand het volledig begrijpt.

Maar er zijn de afgelopen 30 jaar belangrijke ontwikkelingen in het veld geweest, wat heeft geleid tot wat sommige wetenschappers gekscherend Quantum 2.0 noemden, met praktische vooruitgang die de komende tien jaar wordt verwacht.

"We wedden dat er in de komende vijf tot tien jaar een echt kwantumvoordeel zal zijn (ten opzichte van klassiek computergebruik)", zei Gray. "We zijn er nog niet. Sommige nee-zeggers schudden hun stok en zeggen dat het nooit zal gebeuren. Maar we zijn positief."

Net zoals het vroege werk aan conventionele computers uiteindelijk leidde tot mobiele telefoons, is het moeilijk te voorspellen waar het kwantumonderzoek toe zal leiden, zegt Brian DeMarco, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, die samenwerkt met de Chicago Quantum Exchange.

"Daarom is het een spannende tijd", zei hij. "De belangrijkste toepassingen moeten nog worden ontdekt." + Verder verkennen

Kwantumcomputerprogrammering voor dummies

2022 Chicago Tribune.
Verdeeld door Tribune Content Agency, LLC.