TURKU, Finnland – Beam mich hoch, Scotty! In einer Studie, die direkt aus einer „Star Trek“-Episode zu stammen scheint, hat ein internationales Forscherteam eine bemerkenswerte Leistung auf dem Gebiet der Quantenteleportation vollbracht. Es ist ihnen gelungen, eine nahezu perfekte Quantenteleportation durchzuführen, obwohl Rauschen vorhanden ist, das normalerweise die Übertragung von Quantenzuständen unterbricht.
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Bei der Quantenteleportation wird der Zustand eines Quantenteilchens (Qubit) von einem Ort zu einem anderen übertragen, ohne das Teilchen selbst zu senden. Diese Übertragung erfordert Quantenressourcen, wie die Verschränkung zwischen einem zusätzlichen Qubit-Paar.
Stellen Sie sich vor, Sie haben eine geheime Nachricht auf ein Stück Papier geschrieben. Sie möchten diese Nachricht an eine weit entfernte Person senden, ohne dass jemand anderes sie sieht. Bei der Quantenteleportation würden Sie, anstatt das Papier physisch zu versenden, eine exakte Kopie der Nachricht am anderen Ort erstellen, während die ursprüngliche Nachricht zerstört wird. Dies erfordert einige besondere Mittel wie die Verschränkung, die eine geheimnisvolle Verbindung zwischen zwei Qubits darstellt.
In einem idealen Szenario kann die Teleportation des Qubit-Zustands fehlerfrei erfolgen. In der realen Welt gibt es jedoch immer Rauschen und Störungen, so wie Interferenzen ein Telefongespräch oder ein Radiosignal stören können. Dieses Rauschen kann die Qualität des Teleportationsprozesses erheblich beeinträchtigen.
In der neuen Studie, die in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht wurde, haben Wissenschaftler der Universität Turku in Finnland und der University of Science and Technology of China eine neue Methode der Quantenteleportation entwickelt, die dieses Rauschen überwindet und eine hohe Erfolgsquote erzielt. Der Schlüssel zum Erfolg ist die Verwendung einer mehrteiligen hybriden Verschränkung, die einer kontrollierten Verschränkung der Qubits mit ihrer lokalen Umgebung gleichkommt.
„Die Arbeit basiert auf der Idee, die Verschränkung – vor der Ausführung des Teleportationsprotokolls – über die verwendeten Qubits hinaus zu verteilen, d.h. die hybride Verschränkung zwischen verschiedenen physikalischen Freiheitsgraden auszunutzen“, sagt Studienautor Jyrki Piilo, Professor an der Universität Turku, in einer Medienmitteilung.
Stellen Sie sich vor, Sie haben eine geheime Nachricht auf einem Blatt Papier geschrieben und zusätzlich einige Informationen auf einem anderen Blatt Papier. Wenn Sie diese beiden Informationen sorgfältig kombinieren, können Sie eine neue, robustere Art der Übermittlung der geheimen Nachricht schaffen, die weniger durch äußere Störungen oder Rauschen beeinträchtigt wird.
In ihrem Experiment verwendeten die Forscher Photonen (Lichtteilchen), um die Qubits zu kodieren, wobei die Polarisation der Photonen die Quantenzustände und ihre Frequenzen die lokalen Umgebungen darstellten. Sie haben die anfänglichen Korrelationen zwischen der Polarisation und der Frequenz der Photonen sorgfältig eingestellt, um diesen mehrteiligen hybrid-verschränkten Zustand zu erzeugen.
Das Verfahren funktioniert folgendermaßen: Der Sender setzt sein Photon einer kontrollierten Dephasung aus, die die anfänglichen Korrelationen aufhebt. Dann führt er eine gemeinsame Messung seines Teils des verschränkten Paares und des zu teleportierenden Qubits durch. Diese Messung verschränkt nicht nur die Qubits des Senders, sondern wandelt auch die hybride Verschränkung in eine lokale Verschränkung von Qubit und Umgebung auf der Empfängerseite um. Schließlich wendet der Empfänger eine spezielle Operation auf der Grundlage des Messergebnisses des Senders an und unterzieht sein Photon einer Dephasierung, wodurch die Qubit-Umgebungsverschränkung in den gewünschten Quantenzustand umgewandelt wird.
Das Team demonstrierte sein Protokoll mit einem rein optischen Aufbau und teleportierte erfolgreich verschiedene Quantenzustände mit einer Zuverlässigkeit, die durchweg über der klassischen Grenze lag, selbst in Gegenwart von Dekohärenz – dem Rauschen und der Interferenz in Quantenzuständen. Bemerkenswert ist, dass ihr Protokoll nicht erfordert, dass die verschränkten Qubits während der gemeinsamen Messung die Bell’schen Ungleichungen, ein Standardmaß für nichtlokale Korrelationen, verletzen. Dies ist eine bedeutende Abweichung von der gängigen Meinung, dass starke nichtlokale Korrelationen für eine erfolgreiche Quantenteleportation erforderlich sind. (Vgl. StudyFinds)
„Während wir in unserem Labor zahlreiche Experimente zu verschiedenen Aspekten der Quantenphysik mit Photonen durchgeführt haben, war es sehr aufregend und lohnend zu sehen, dass dieses sehr anspruchsvolle Teleportationsexperiment erfolgreich abgeschlossen wurde“, sagt Studienautor Dr. Zhao-Di Liu von der University of Science and Technology of China.
Die Auswirkungen dieser Arbeit gehen über die Quantenteleportation hinaus. Die Fähigkeit, mehrteilige hybride Verschränkung nutzbar zu machen und in nützliche Quantenkorrelationen umzuwandeln, eröffnet neue Möglichkeiten für die Quanteninformationsverarbeitung und -kommunikation. Die Forscher vermuten zum Beispiel, dass ihre Technik dazu verwendet werden könnte, jeden beliebigen Multi-Quadranten-Zustand über Dephasierungsumgebungen hinweg zu übertragen, wodurch die Grenzen dekohärenzfreier Unterräume überschritten werden könnten.
Auch wenn es sich bei der aktuellen Studie um eine Demonstration des Konzepts handelt, legt sie doch den Grundstein für künftige Forschungen zur Rolle der hybriden Verschränkung bei der Bekämpfung der Dekohärenz. Die Arbeit des Teams unterstreicht auch die Bedeutung der Zustandsvorbereitung in Quantentechnologien und wirft ein neues Licht auf das Konzept des Verschränkungsrecyclings.
Mit der Weiterentwicklung der Quantentechnologien wird die Fähigkeit, die Dekohärenz zu überwinden und die empfindliche Natur von Quantenzuständen zu erhalten, immer wichtiger. Diese bahnbrechende Studie bietet einen vielversprechenden neuen Ansatz zur Erreichung dieses Ziels und ebnet den Weg für robustere und effizientere Quantenkommunikations- und -berechnungssysteme. Bei weiterer Forschung und Entwicklung könnte die Kraft der mehrteiligen hybriden Verschränkung dazu beitragen, das volle Potenzial der Quantentechnologien zu erschließen und uns einer quantengestützten Zukunft näher zu bringen.
Quelle: StudyFinds
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