Fysiker vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har teleporterat en datakretsinstruktion känd som en kvantlogikoperation mellan två separerade joner (elektriskt laddade atomer), visar hur kvantdatorprogram kan utföra uppgifter i framtida storskaliga kvantnätverk.

Kvantteleportation överför data från ett kvantsystem (t.ex. en jon) till en annan (t.ex. en andra jon), även om de två är helt isolerade från varandra, som två böcker i källare i separata byggnader. I denna verkliga form av teleportation, bara kvantinformation, gör inget, transporteras, i motsats till Star Trek -versionen som "strålar" hela människor från, säga, ett rymdskepp till en planet.

Teleportering av kvantdata har tidigare visats med joner och en mängd andra kvantsystem. Men det nya arbetet är det första som teleporterar en fullständig kvantlogikoperation med hjälp av joner, en ledande kandidat för arkitekturen för framtida kvantdatorer. Experimenten beskrivs i 31 maj -numret av Vetenskap .

"Vi verifierade att vår logiska operation fungerar på alla ingångstillstånd för två kvantbitar med 85 till 87% sannolikhet - långt ifrån perfekt, men det är en början, "NIST -fysikern Dietrich Leibfried sa.

En kvantdator i full skala, om en kan byggas, skulle kunna lösa vissa problem som för närvarande är svårlösliga. NIST har bidragit till globala forskningsinsatser för att utnyttja kvantbeteende för praktisk teknik, inklusive ansträngningar att bygga kvantdatorer.

För att kvantdatorer ska fungera som man hoppats, de kommer troligen att behöva miljontals kvantbitar, eller "qubits, "liksom sätt att utföra operationer mellan qubits fördelade över stora maskiner och nätverk. Teleportering av logiska operationer är ett sätt att göra det utan direkta kvantmekaniska anslutningar (fysiska anslutningar för utbyte av klassisk information kommer fortfarande att behövas).

NIST-teamet teleporterade en kvantstyrd-INTE (CNOT) logisk operation, eller logisk grind, mellan två berylliumjon qubits som ligger mer än 340 mikrometer (miljondelar av en meter) från varandra i separata zoner i en jonfälla, ett avstånd som utesluter all väsentlig direkt interaktion. En CNOT -operation vänder den andra qubit från 0 till 1, eller tvärtom, bara om den första qubit är 1; ingenting händer om den första qubiten är 0. På typiskt kvant sätt, båda qubits kan vara i "superpositioner" där de har värden på både 1 och 0 samtidigt.

NIST -teleporteringsprocessen bygger på intrassling, som länkar partiklarnas kvantegenskaper även när de separeras. Ett "budbärar" -par av intrasslade magnesiumjoner används för att överföra information mellan berylliumjonerna (se infografik).

NIST -teamet fann att dess teleporterade CNOT -process trasslade ihop de två magnesiumjonerna - ett avgörande tidigt steg - med 95% framgång, medan hela logikoperationen lyckades 85% till 87% av tiden.

"Portteleportation tillåter oss att utföra en kvantlogisk grind mellan två joner som är rumsligt separerade och som kanske aldrig har interagerat tidigare, "Leibfried sa." Tricket är att de alla har en jon av ett annat intrasslat par vid sin sida, och denna förträngningsresurs, fördelat framför porten, tillåter oss att göra ett kvant trick som inte har någon klassisk motsvarighet. "

"De intrasslade budbärsparen kan produceras i en dedikerad del av datorn och skickas separat till qubits som måste anslutas med en logisk grind men är på avlägsna platser, "Tillade Leibfried.

NIST -arbetet integrerades också i ett enda experiment, för första gången, flera operationer som kommer att vara avgörande för att bygga storskaliga kvantdatorer baserade på joner, inklusive kontroll av olika typer av joner, jontransport, och sammanblandning av operationer på utvalda delmängder av systemet.

För att verifiera att de utförde en CNOT -grind, forskarna förberedde den första qubiten i 16 olika kombinationer av ingångstillstånd och mätte sedan utgångarna på den andra qubit. Detta gav en generaliserad kvant "sanningstabell" som visar processen fungerade.

Förutom att skapa ett sanningstabell, forskarna kontrollerade dataens överensstämmelse över förlängda körtider för att identifiera felkällor i den experimentella installationen. Denna teknik förväntas vara ett viktigt verktyg för att karakterisera kvantinformationsprocesser i framtida experiment.