Den experimentella behärskningen av komplexa kvantsystem krävs för framtida teknologier som kvantdatorer och kvantkryptering. Forskare från universitetet i Wien och Österrikiska vetenskapsakademin har brutit ny mark. De försökte använda mer komplexa kvantsystem än tvådimensionellt intrasslade kvantbitar och kan därmed öka informationskapaciteten med samma antal partiklar. De utvecklade metoderna och teknologierna skulle i framtiden kunna möjliggöra teleportering av komplexa kvantsystem. Resultaten av deras arbete, "Experimentell Greenberger-Horne-Zeilinger förveckling bortom qubits, " publiceras nyligen i den berömda tidskriften Nature Photonics .

I likhet med bitar i konventionella datorer, qubits är den minsta informationsenheten i kvantsystem. Stora företag som Google och IBM konkurrerar med forskningsinstitut runt om i världen om att producera ett ökande antal intrasslade qubits och utveckla en fungerande kvantdator. Men en forskargrupp vid universitetet i Wien och den österrikiska vetenskapsakademin går en ny väg för att öka informationskapaciteten hos komplexa kvantsystem.

Tanken bakom det är enkel:Istället för att bara öka antalet inblandade partiklar, komplexiteten i varje system ökar. "Det speciella med vårt experiment är att för första gången, den trasslar in tre fotoner bortom den konventionella tvådimensionella naturen, " förklarar Manuel Erhard, första författare till studien. För det här syftet, de wienska fysikerna använde kvantsystem med mer än två möjliga tillstånd – i detta speciella fall, vinkelmomentet för enskilda ljuspartiklar. Dessa individuella fotoner har nu en högre informationskapacitet än qubits. Dock, intrasslingen av dessa ljuspartiklar visade sig vara svår på ett konceptuellt plan. Forskarna övervann denna utmaning med en banbrytande idé:en datoralgoritm som autonomt söker efter en experimentell implementering.

Med hjälp av en datoralgoritm som heter Melvin, forskarna hittade en experimentell uppställning för att producera den här typen av intrassling. I början, det här var väldigt komplicerat, men det fungerade i princip. Efter några förenklingar, fysikerna stod fortfarande inför stora tekniska utmaningar. Teamet kunde lösa dessa med toppmodern laserteknik och en specialutvecklad multiport. "Denna multiport är hjärtat i vårt experiment, och kombinerar de tre fotonerna så att de är intrasslade i tre dimensioner, " förklarar Manuel Erhard.

Den märkliga egenskapen hos tre-fotonförvecklingen i tre dimensioner möjliggör experimentell undersökning av nya grundläggande frågor om beteendet hos kvantsystem. Dessutom, resultaten av detta arbete kan också ha en betydande inverkan på framtida teknik, som kvantteleportation. "Jag tror att de metoder och teknologier som vi utvecklade i den här publikationen tillåter oss att teleportera en högre andel av den totala kvantinformationen för en enskild foton, vilket kan vara viktigt för kvantkommunikationsnätverk, " säger Anton Zeilinger.