Blixtar av vad som kan bli en transformativ ny teknik strömmar genom ett nätverk av optiska fibrer under Chicago.

Forskare har skapat ett av världens största nätverk för att dela kvantinformation – ett vetenskapsområde som är beroende av paradoxer så konstiga att Albert Einstein inte trodde på dem.

Nätverket, som förbinder University of Chicago med Argonne National Laboratory i Lemont, är en rudimentär version av vad forskare hoppas en dag ska bli framtidens internet. För närvarande är det öppnat för företag och forskare att testa grunderna för att dela kvantinformation.

Nätverket tillkännagavs denna vecka av Chicago Quantum Exchange – som också involverar Fermi National Accelerator Laboratory, Northwestern University, University of Illinois och University of Wisconsin.

Med en federal investering på 500 miljoner dollar de senaste åren och 200 miljoner dollar från staten bildar Chicago, Urbana-Champaign och Madison en ledande region för forskning om kvantinformation.

Varför spelar detta någon roll för en vanlig människa? Eftersom kvantinformation har potential att hjälpa till att knäcka olösliga problem, både hotar och skyddar privat information och leder till genombrott inom jordbruk, medicin och klimatförändringar.

Medan klassisk datoranvändning använder informationsbitar som innehåller antingen en 1 eller nolla, är kvantbitar eller qubitar som ett mynt som vänds i luften – de innehåller både en 1 och nolla, som ska bestämmas när det har observerats.

Den egenskapen att vara i två eller flera tillstånd samtidigt, kallad superposition, är en av kvantmekanikens många paradoxer – hur partiklar beter sig på atomär och subatomär nivå. Det är också en potentiellt avgörande fördel, eftersom den kan hantera exponentiellt mer komplexa problem.

En annan nyckelaspekt är egenskapen för intrassling, där qubits separerade av stora avstånd fortfarande kan korreleras, så en mätning på ett ställe avslöjar en mätning långt borta.

Det nyligen utökade nätverket i Chicago, skapat i samarbete med Toshiba, distribuerar ljuspartiklar, så kallade fotoner. Att försöka fånga upp fotonerna förstör dem och informationen de innehåller – vilket gör det mycket svårare att hacka.

Det nya nätverket tillåter forskare att "tänja på gränserna för vad som för närvarande är möjligt", säger professorn vid University of Chicago, David Awschalom, chef för Chicago Quantum Exchange.

Men forskare måste lösa många praktiska problem innan storskalig kvantberäkning och nätverk är möjlig.

Till exempel arbetar forskare vid Argonne på att skapa ett "gjuteri" där pålitliga qubits kan smidas. Ett exempel är ett diamantmembran med små fickor för att hålla och bearbeta qubits av information. Forskare vid Argonne har också skapat en qubit genom att frysa neon för att hålla en enda elektron.

Eftersom kvantfenomen är extremt känsliga för alla störningar kan de också användas som små sensorer för medicinska eller andra tillämpningar – men de måste också göras mer hållbara.

Kvantnätverket lanserades i Argonne 2020, men har nu expanderat till Hyde Park och öppnat för användning av företag och forskare för att testa nya kommunikationsenheter, säkerhetsprotokoll och algoritmer. Varje satsning som är beroende av säker information, såsom bankers finansiella register över sjukhusjournaler, skulle potentiellt använda ett sådant system.

Kvantdatorer, medan de är i utveckling nu, kanske en dag kan utföra mycket mer komplexa beräkningar än nuvarande datorer, som veckproteiner, vilket kan vara användbart för att utveckla läkemedel för att behandla sjukdomar som Alzheimers.

Förutom att driva forskningen stimulerar kvantområdet ekonomisk utveckling i regionen. Ett hårdvaruföretag, EeroQ, meddelade i januari att de flyttar sitt huvudkontor till Chicago. Ett annat lokalt mjukvaruföretag, Super.tech, förvärvades nyligen och flera andra startar i regionen.

Eftersom kvantberäkning kan användas för att hacka sig in i traditionell kryptering, har det också dragit till sig bipartisk uppmärksamhet från federala lagstiftare. National Quantum Initiative Act undertecknades i lag av president Donald Trump 2018 för att påskynda kvantutvecklingen för nationella säkerhetsändamål.

I maj beordrade president Joe Biden den federala myndigheten att migrera till kvantresistent kryptografi på dess mest kritiska försvars- och underrättelsesystem.

Ironiskt nog är grundläggande matematiska problem, som 5+5=10, något svåra genom kvantberäkning. Kvantinformation kommer sannolikt att användas för avancerade applikationer, medan klassisk datoranvändning sannolikt kommer att fortsätta att vara praktisk för många dagliga användningar.

Den berömda fysikern Einstein hånade kvantmekanikens paradoxer och osäkerheter och sa att Gud inte "spelar tärning" med universum. Men kvantteorier har visat sig vara korrekta i tillämpningar från kärnenergi till MRI.

Stephen Gray, senior forskare vid Argonne, som arbetar med algoritmer för att köras på kvantdatorer, sa att kvantarbete är mycket svårt och att ingen förstår det fullt ut.

Men det har skett en betydande utveckling på området under de senaste 30 åren, vilket lett till vad vissa forskare skämtsamt kallade Quantum 2.0, med praktiska framsteg som förväntas under det kommande decenniet.

"Vi satsar på att under de kommande fem till 10 åren kommer det att finnas en verklig kvantfördel (över klassisk datoranvändning)," sa Gray. "Vi är inte där än. Vissa nejsägare skakar sina käppar och säger att det aldrig kommer att hända. Men vi är positiva."

Precis som tidigt arbete med konventionella datorer så småningom ledde till mobiltelefoner är det svårt att förutsäga vart kvantforskningen kommer att leda, säger Brian DeMarco, professor i fysik vid University of Illinois i Urbana-Champaign, som arbetar med Chicago Quantum Exchange.

"Det är därför det är en spännande tid", sa han. "De viktigaste tillämpningarna har ännu inte upptäckts." + Utforska vidare

Kvantdatorprogrammering för dummies

2022 Chicago Tribune.
Distribuerat av Tribune Content Agency, LLC.