Österrikiska och kinesiska forskare har lyckats teleportera tredimensionella kvanttillstånd för första gången. Högdimensionell teleportation kan spela en viktig roll i framtida kvantdatorer.

Forskare från den österrikiska vetenskapsakademien och universitetet i Wien har experimentellt visat vad som tidigare bara var en teoretisk möjlighet. Tillsammans med kvantfysiker från University of Science and Technology of China, de har lyckats teleportera komplexa högdimensionella kvanttillstånd. Forskargrupperna rapporterar detta internationellt först i tidskriften Fysiska granskningsbrev .

I deras studie, forskarna teleporterade kvanttillståndet för en foton (ljuspartikel) till en annan avlägsen. Tidigare, endast tillstånd på två nivåer ("qubits") hade överförts, d.v.s. information med värdena "0" eller "1". Dock, forskarna lyckades teleportera en stat på tre nivåer, en så kallad "qutrit". Inom kvantfysik, till skillnad från klassisk datavetenskap, "0" och "1" är inte "antingen/eller" - båda samtidigt, eller något däremellan, är också möjligt. Det österrikisk-kinesiska laget har nu visat detta i praktiken med en tredje möjlighet "2".

Ny experimentell metod

Det har varit känt sedan 1990 -talet att flerdimensionell kvantteleportering är teoretiskt möjlig. Men:"Först, vi var tvungna att utforma en experimentell metod för att implementera högdimensionell teleportation, liksom att utveckla den nödvändiga tekniken ", säger Manuel Erhard från Wieninstitutet för kvantoptik och kvantinformation från den österrikiska vetenskapsakademien.

Kvanttillståndet som ska teleporteras är kodat på de möjliga vägar en foton kan ta. Man kan föreställa sig dessa vägar som tre optiska fibrer. Mest intressant, inom kvantfysik kan en enda foton också lokaliseras i alla tre optiska fibrerna samtidigt. För att teleportera detta tredimensionella kvanttillstånd, forskarna använde en ny experimentell metod. Kärnan i kvantteleportering är den så kallade Bell-mätningen. Den är baserad på en multiport stråldelare, som leder fotoner genom flera ingångar och utgångar och ansluter alla optiska fibrer tillsammans. Dessutom, forskarna använde hjälpfoton - dessa skickas också in i multipelstråldelaren och kan störa de andra fotonerna.

Genom smart urval av vissa störningsmönster, kvantinformationen kan överföras till en annan foton långt från ingångsfoton, utan att de två fysiskt interagerar. Det experimentella konceptet är inte begränsat till tre dimensioner, men kan i princip utökas till valfritt antal dimensioner, som Erhard betonar.

Högre informationskapacitet för kvantdatorer

Med detta, det internationella forskargruppen har också tagit ett viktigt steg mot praktiska tillämpningar som ett framtida kvantinternet, eftersom högdimensionella kvantsystem kan transportera större mängder information än qubits. "Detta resultat kan hjälpa till att ansluta kvantdatorer med informationskapacitet utöver qubits", säger Anton Zeilinger, kvantfysiker vid den österrikiska vetenskapsakademin och universitetet i Wien, om den nya metodens innovativa potential.

De deltagande kinesiska forskarna ser också stora möjligheter inom flerdimensionell kvantteleportation. "Grunderna för nästa generations kvantnätverk bygger på vår grundforskning idag", säger Jian-Wei Pan från University of Science and Technology of China. Pan höll nyligen en föreläsning i Wien på inbjudan av universitetet i Wien och akademin.

I framtida arbete, kvantfysikerna kommer att fokusera på hur man kan utöka den nyvunna kunskapen för att möjliggöra teleportering av hela kvanttillståndet för en enda foton eller atom.