Er teleportering mulig? Ja, i kvanteverdenen

"Beam me up" er en af ​​de mest berømte catchphrases fra Star Trek-serien. Det er kommandoen, der udsendes, når en karakter ønsker at teleportere fra et fjerntliggende sted tilbage til Starship Enterprise.

Mens menneskelig teleportation kun eksisterer i science fiction, teleportation er mulig i kvantemekanikkens subatomære verden - omend ikke på den måde, der typisk er afbildet på tv. I kvanteverdenen, teleportering involverer transport af information, snarere end transport af stof.

Sidste år bekræftede videnskabsmænd, at information kunne overføres mellem fotoner på computerchips, selv når fotonerne ikke var fysisk forbundet.

Nu, ifølge ny forskning fra University of Rochester og Purdue University, teleportering kan også være mulig mellem elektroner.

I et blad udgivet i Naturkommunikation og en til at optræde i Fysisk gennemgang X , forskerne, herunder John Nichol, en assisterende professor i fysik ved Rochester, og Andrew Jordan, professor i fysik ved Rochester, udforske nye måder at skabe kvantemekaniske interaktioner mellem fjerne elektroner. Forskningen er et vigtigt skridt i at forbedre kvantecomputere, hvilken, på tur, har potentialet til at revolutionere teknologien, medicin, og videnskab ved at levere hurtigere og mere effektive processorer og sensorer.

'Uhyggelig handling på afstand'

Kvanteteleportation er en demonstration af, hvad Albert Einstein berømt kaldte "uhyggelig handling på afstand" - også kendt som kvanteforviklinger. I sammenfiltring – et af de grundlæggende begreber inden for kvantefysik – påvirker egenskaberne af en partikel en andens egenskaber, selv når partiklerne er adskilt af en stor afstand. Kvanteteleportering involverer to fjerntliggende, sammenfiltrede partikler, hvor tilstanden af ​​en tredje partikel øjeblikkeligt "teleporterer" sin tilstand til de to sammenfiltrede partikler.

Kvanteteleportation er et vigtigt middel til at transmittere information i kvanteberegning. Mens en typisk computer består af milliarder af transistorer, kaldet bits, kvantecomputere koder information i kvantebit, eller qubits. En bit har en enkelt binær værdi, som kan være enten "0" eller "1, " men qubits kan være både "0" og "1" på samme tid. Evnen for individuelle qubits til samtidigt at optage flere tilstande ligger til grund for kvantecomputeres store potentielle kraft.

Forskere har for nylig demonstreret kvanteteleportation ved at bruge elektromagnetiske fotoner til at skabe fjernt sammenfiltrede par af qubits.

Qubits lavet af individuelle elektroner, imidlertid, er også lovende for transmission af information i halvledere.

"Individuelle elektroner er lovende qubits, fordi de interagerer meget let med hinanden, og individuelle elektron-qubits i halvledere er også skalerbare, ", siger Nichol. "Plidelig skabelse af langdistance-interaktioner mellem elektroner er afgørende for kvanteberegning."

At skabe sammenfiltrede par af elektron-qubits, der spænder over lange afstande, som er påkrævet til teleportering, har vist sig udfordrende, dog:mens fotoner naturligt udbreder sig over lange afstande, elektroner er normalt begrænset til ét sted.

Sammenfiltrede elektronpar

For at demonstrere kvanteteleportation ved hjælp af elektroner, forskerne udnyttede en nyligt udviklet teknik baseret på principperne for Heisenberg-udvekslingskobling. En individuel elektron er som en stangmagnet med en nordpol og en sydpol, der kan pege enten op eller ned. Retningen af ​​polen - om nordpolen peger op eller ned, for eksempel - er kendt som elektronens magnetiske moment eller kvantespintilstand. Hvis visse slags partikler har det samme magnetiske moment, de kan ikke være på samme sted på samme tid. Det er, to elektroner i samme kvantetilstand kan ikke sidde oven på hinanden. Hvis de gjorde, deres stater ville bytte frem og tilbage i tiden.

Forskerne brugte teknikken til at distribuere sammenfiltrede elektronpar og teleportere deres spin-tilstande.

"Vi fremlægger beviser for 'entanglement swapping' ' hvor vi skaber sammenfiltring mellem to elektroner, selvom partiklerne aldrig interagerer, og 'quantum gate teleportation, ' en potentielt nyttig teknik til kvanteberegning ved hjælp af teleportering, " siger Nichol. "Vores arbejde viser, at dette kan gøres selv uden fotoner."

Resultaterne baner vejen for fremtidig forskning i kvanteteleportation, der involverer spintilstande af alt stof, ikke kun fotoner, og give mere bevis for de overraskende nyttige egenskaber af individuelle elektroner i qubit-halvledere.