Kompleks kvanteteleportation opnået for første gang

Østrigske og kinesiske forskere er lykkedes med at teleportere tredimensionelle kvantetilstande for første gang. Højdimensionel teleportation kan spille en vigtig rolle i fremtidige kvantecomputere.

Forskere fra det østrigske videnskabsakademi og universitetet i Wien har eksperimentelt demonstreret, hvad der tidligere kun var en teoretisk mulighed. Sammen med kvantefysikere fra University of Science and Technology of China, det er lykkedes dem at teleportere komplekse høj-dimensionelle kvantetilstande. Forskningsteamene rapporterer dette internationalt først i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve .

I deres undersøgelse, forskerne teleporterede kvantetilstanden for en foton (lyspartikel) til en anden fjern. Tidligere har kun to-niveau stater ("qubits") var blevet transmitteret, dvs. oplysninger med værdierne "0" eller "1". Imidlertid, det lykkedes forskerne at teleportere en stat på tre niveauer, en såkaldt "qutrit". I kvantefysikken, i modsætning til i klassisk datalogi, "0" og "1" er ikke et 'enten/eller' - begge samtidigt, eller noget derimellem, er også muligt. Det østrigsk-kinesiske hold har nu demonstreret dette i praksis med en tredje mulighed "2".

Ny eksperimentel metode

Det har været kendt siden 1990'erne, at flerdimensionel kvanteteleportation er teoretisk muligt. Dog:"Først, vi måtte designe en eksperimentel metode til implementering af højdimensionel teleportation, samt at udvikle den nødvendige teknologi ", siger Manuel Erhard fra Wien Institute for Quantum Optics and Quantum Information fra det østrigske videnskabsakademi.

Den kvantetilstand, der skal teleporteres, er kodet på de mulige veje, som en foton kan tage. Man kan forestille sig disse stier som tre optiske fibre. Mest interessant, i kvantefysik kan en enkelt foton også være placeret i alle tre optiske fibre på samme tid. For at teleportere denne tredimensionelle kvantetilstand, forskerne brugte en ny eksperimentel metode. Kernen i kvanteteleportation er den såkaldte Bell-måling. Den er baseret på en multiport strålesplitter, som leder fotoner gennem flere input og output og forbinder alle optiske fibre sammen. Ud over, forskerne brugte hjælpefotoner - disse sendes også ind i flerstrålesplitteren og kan forstyrre de andre fotoner.

Gennem smart valg af visse interferensmønstre, kvanteoplysningerne kan overføres til en anden foton langt fra inputfotonen, uden at de to nogensinde interagerer fysisk. Det eksperimentelle koncept er ikke begrænset til tre dimensioner, men kan i princippet udvides til et vilkårligt antal dimensioner, som Erhard understreger.

Højere informationskapacitet for kvantecomputere

Med dette, det internationale forskerteam har også taget et vigtigt skridt i retning af praktiske anvendelser såsom et fremtidigt kvanteinternet, da højdimensionelle kvantesystemer kan transportere større mængder information end qubits. "Dette resultat kunne hjælpe med at forbinde kvantecomputere med informationskapacitet ud over qubits", siger Anton Zeilinger, kvantefysiker ved det østrigske videnskabsakademi og universitetet i Wien, om det innovative potentiale i den nye metode.

De deltagende kinesiske forskere ser også store muligheder i multidimensionel kvanteteleportation. "Det grundlæggende for den næste generations kvantenetværkssystemer er bygget på vores grundforskning i dag", siger Jian-Wei Pan fra University of Science and Technology of China. Pan holdt for nylig et foredrag i Wien på invitation af universitetet i Wien og akademiet.

I det fremtidige arbejde, kvantefysikerne vil fokusere på, hvordan man kan udvide den nyligt opnåede viden for at muliggøre teleportation af hele kvantetilstanden i en enkelt foton eller atom.