Gebeamte Qutrits: Erstmals dreidimensionale Quantenzustände teleportiert

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Künstlerische Illustration der Teleportation eines Drei-Ebenen-Zustands. Copyright: ÖAW/Ritsch

Künstlerische Illustration der Teleportation eines Drei-Ebenen-Zustands.
Copyright: ÖAW/Ritsch

Wien (Österreich) – Österreichischen Wissenschaftlern ist es gemeinsam mit chinesischen Kollegen erstmals gelungen, dreidimensionale Quantenzustände fern zu übertragen. Derart höherdimensionale Teleportation könnte u.a. eine wichtige Rolle in künftigen Quantencomputern spielen.

Wie das Team um Manuel Erhard von der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW), der Universität Wien gemeinsam mit Quantenphysikern der University of Science and Technology of China aktuell im Fachjournal „Physical Review Letters“ (DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.070505) berichtet, galt die nun erstmals gelungene Teleportation komplexer hochdimensionaler Quantenzustände bislang lediglich als theoretische Möglichkeit.

In ihren Experimenten teleportierten die Forscher den Quantenzustand eines Photons, also eines Lichtteilchens zu einem anderen. Wurden in bisherigen Experimenten nur Zwei-Ebenen-Zustände (sog. Qubits) übertragen – also Informationen mit dem Wert „0“ oder „1“ -, so gelang es den Wissenschaftlern und Wissenschaftlern nun erstmals, einen Drei-Ebenen-Zustand und damit einen sog. Qutrit zu übertragen. „Anders als in der Computertechnik ist ‚0‘ und ‚1‘ aber keine Frage von entweder-oder, denn laut den Gesetzen der Quantenphysik ist theoretisch auch beides gleichzeitig oder auch alles dazwischen möglich – nun eben auch mit einer dritten Möglichkeit ‚2‘, berichtet das österreichisch-chinesische Forscherteam.

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Zwar war schon zuvor bekannt, dass die mehrdimensionale Quantenteleportation theoretisch machbar ist, die tatsächliche Realisierung im Labor und die dazu benötigte Technologie mussten jedoch erst und eigens entwickelt werden.

„Beim übertragenen Quantenzustand handelt es sich um die Information, in welcher von drei möglichen Glasfasern (Lichtleitern) sich ein Photon befindet“, erläutert die Pressemitteilung der ÖAW und führt dazu weiter aus: „Dabei kann sich dieses Photon auch auf allen drei Glasfasern gleichzeitig befinden. Um diese Quanteninformation bzw. diesen Quantenzustand zu teleportieren, verwendeten die Forscher eine neue experimentelle Anordnung. Das Herzstück der Quantenteleportation bildet die sogenannte Bell-Messung. Sie basiert einerseits auf einem Mehrfach-Strahlteiler, der Photonen durch mehrere Ein- und Ausgänge leitet und alle Glasfasern miteinander verbindet. Zusätzlich kommen nun auch Hilfsphotonen zum Einsatz, die ebenfalls in den Mehrfach-Strahlteiler gesendet werden und mit den anderen Photonen interferieren können.“

Durch die geschickte Auswahl bestimmter Interferenzmuster, kann nun die Quanteninformation dort, wo sich das Eingangsphoton befunden hat, auf ein anderes weit entferntes Photon übertragen werden. Und dass, obwohl die Photonen zu keinem Zeitpunkt physisch miteinander in Kontakt standen. Das nun erfolgreich getestete Setting ist übrigens nicht auf drei Dimensionen beschränkt, sondern prinzipiell auf beliebig viele Dimensionen erweiterbar, wie Erhard betont.“

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Da höherdimensionale Quantensysteme deutlich größere Informationsmengen transportieren können. Mit dem Forschungserfolg ist den Wissenschaftlern auch ein wichtiger Schritt hin zu praktischen Anwendungen wie einem Quanteninternet gelungen. „Dieses Ergebnis könnte hilfreich sein, mehrere Quantencomputer gleichzeitig miteinander zu verbinden, und zwar mit höheren Informationskapazitäten als mit Qubits prinzipiell möglich“, beschreibt Anton Zeilinger, Quantenphysiker an der ÖAW und der Universität Wien, das innovative Potenzial der neuen Methode.

Auch die beteiligten chinesischen Forscher sehen große Chancen in der mehrdimensionalen Quantenteleportation. „Den Grundstein für die nächste Generation von Quantenkryptographie-Systemen legt unsere heutige Grundlagenforschung“, sagt Jian-Wei Pan, der an der University of Science and Technology of China forscht und kürzlich auf Einladung von Universität Wien und ÖAW einen Vortrag in Wien hielt.

Die nächsten Forschungen der Quantenphysiker sollen sich nun mit der Frage befassen, wie man die neugewonnenen Erkenntnisse erweitern kann, um den gesamten Quantenzustand eines einzelnen Photons oder Atoms zu teleportieren.

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