"Beam me up" är en av de mest kända slagorden från Star Trek-serien. Det är kommandot som ges när en karaktär vill teleportera från en avlägsen plats tillbaka till Starship Enterprise.

Medan mänsklig teleportation endast existerar inom science fiction, teleportation är möjlig i kvantmekanikens subatomära värld – om än inte på det sätt som vanligtvis avbildas på TV. I kvantvärlden, teleportering innebär transport av information, snarare än transport av materia.

Förra året bekräftade forskare att information kunde skickas mellan fotoner på datorchips även när fotonerna inte var fysiskt kopplade.

Nu, enligt ny forskning från University of Rochester och Purdue University, teleportering kan också vara möjlig mellan elektroner.

I en tidning publicerad i Naturkommunikation och en att synas i Fysisk granskning X , forskarna, inklusive John Nichol, en biträdande professor i fysik vid Rochester, och Andrew Jordan, en professor i fysik vid Rochester, utforska nya sätt att skapa kvantmekaniska interaktioner mellan avlägsna elektroner. Forskningen är ett viktigt steg för att förbättra kvantberäkningar, som, i tur och ordning, har potential att revolutionera tekniken, medicin, och vetenskap genom att tillhandahålla snabbare och mer effektiva processorer och sensorer.

"Spöklik action på avstånd"

Kvantteleportation är en demonstration av vad Albert Einstein berömt kallade "spöklik action på avstånd" - även känd som kvantförveckling. I entrassling – ett av de grundläggande begreppen inom kvantfysik – påverkar egenskaperna hos en partikel en annans egenskaper, även när partiklarna är åtskilda på ett stort avstånd. Kvantteleportering involverar två avlägsna, intrasslade partiklar där tillståndet för en tredje partikel omedelbart "teleporterar" sitt tillstånd till de två intrasslade partiklarna.

Kvantteleportering är ett viktigt sätt att överföra information i kvantberäkningar. Medan en typisk dator består av miljarder transistorer, kallas bitar, kvantdatorer kodar information i kvantbitar, eller qubits. En bit har ett enda binärt värde, som kan vara antingen "0" eller "1, " men qubits kan vara både "0" och "1" samtidigt. Möjligheten för individuella qubits att samtidigt ockupera flera tillstånd ligger bakom kvantdatorernas stora potentiella kraft.

Forskare har nyligen demonstrerat kvantteleportation genom att använda elektromagnetiska fotoner för att skapa på avstånd intrasslade par av qubits.

Qubits gjorda av individuella elektroner, dock, är också lovande för överföring av information i halvledare.

"Individuella elektroner är lovande qubits eftersom de interagerar väldigt lätt med varandra, och individuella elektron-qubits i halvledare är också skalbara, Nichol säger. "Det är viktigt för kvantberäkning att skapa långdistansinteraktioner mellan elektroner."

Skapa intrasslade par av elektron-qubits som spänner över långa avstånd, som krävs för teleportering, har visat sig utmanande, dock:medan fotoner naturligt fortplantar sig över långa avstånd, elektroner är vanligtvis begränsade till ett ställe.

Intrasslade elektronpar

För att demonstrera kvantteleportation med hjälp av elektroner, forskarna utnyttjade en nyligen utvecklad teknik baserad på principerna för Heisenberg utbyteskoppling. En enskild elektron är som en stapelmagnet med en nordpol och en sydpol som kan peka antingen uppåt eller nedåt. Riktningen på polen – om nordpolen pekar uppåt eller nedåt, till exempel – är känt som elektronens magnetiska moment eller kvantspinntillstånd. Om vissa typer av partiklar har samma magnetiska moment, de kan inte vara på samma plats samtidigt. Det är, två elektroner i samma kvanttillstånd kan inte sitta ovanpå varandra. Om de gjorde det, deras stater skulle byta fram och tillbaka i tiden.

Forskarna använde tekniken för att distribuera intrasslade elektronpar och teleportera deras spinntillstånd.

"Vi tillhandahåller bevis för "förvecklingsbyte, ' där vi skapar intrassling mellan två elektroner trots att partiklarna aldrig interagerar, och 'quantum gate teleportation, ' en potentiellt användbar teknik för kvantberäkning med teleportering, Nichol säger. "Vårt arbete visar att detta kan göras även utan fotoner."

Resultaten banar väg för framtida forskning om kvantteleportation som involverar spinntillstånd av all materia, inte bara fotoner, och ge mer bevis för de förvånansvärt användbara funktionerna hos enskilda elektroner i qubit-halvledare.