De experimentele beheersing van complexe kwantumsystemen is vereist voor toekomstige technologieën zoals kwantumcomputers en kwantumversleuteling. Wetenschappers van de Universiteit van Wenen en de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen hebben nieuwe wegen ingeslagen. Ze probeerden complexere kwantumsystemen te gebruiken dan tweedimensionaal verstrengelde qubits en konden zo de informatiecapaciteit vergroten met hetzelfde aantal deeltjes. De ontwikkelde methoden en technologieën kunnen in de toekomst teleportatie van complexe kwantumsystemen mogelijk maken. De resultaten van hun werk, "Experimentele Greenberger-Horne-Zeilinger verstrengeling voorbij qubits, " is onlangs gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift Natuurfotonica .

Net als bij bits in conventionele computers, qubits zijn de kleinste eenheid van informatie in kwantumsystemen. Grote bedrijven als Google en IBM concurreren met onderzoeksinstituten over de hele wereld om een ​​toenemend aantal verstrengelde qubits te produceren en een functionerende kwantumcomputer te ontwikkelen. Maar een onderzoeksgroep van de Universiteit van Wenen en de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen bewandelt een nieuwe weg om de informatiecapaciteit van complexe kwantumsystemen te vergroten.

Het idee erachter is simpel:in plaats van alleen het aantal betrokken deeltjes te vergroten, de complexiteit van elk systeem wordt vergroot. "Het bijzondere aan ons experiment is dat voor de eerste keer, het verstrengelt drie fotonen voorbij de conventionele tweedimensionale aard, " legt Manuel Erhard uit, eerste auteur van de studie. Voor dit doeleinde, de Weense natuurkundigen gebruikten kwantumsystemen met meer dan twee mogelijke toestanden - in dit specifieke geval het impulsmoment van individuele lichtdeeltjes. Deze individuele fotonen hebben nu een hogere informatiecapaciteit dan qubits. Echter, de verstrengeling van deze lichtdeeltjes bleek conceptueel moeilijk. De onderzoekers overwonnen deze uitdaging met een baanbrekend idee:een computeralgoritme dat autonoom zoekt naar een experimentele implementatie.

Met behulp van een computeralgoritme genaamd Melvin, de onderzoekers vonden een experimentele opstelling om dit soort verstrengeling te produceren. Aanvankelijk, dit was erg ingewikkeld, maar het werkte in principe. Na enkele vereenvoudigingen, de natuurkundigen stonden nog voor grote technologische uitdagingen. Het team heeft deze kunnen oplossen met state-of-the-art lasertechnologie en een speciaal ontwikkelde multipoort. "Deze multi-poort is het hart van ons experiment, en combineert de drie fotonen zodat ze verstrengeld zijn in drie dimensies, " legt Manuel Erhard uit.

De bijzondere eigenschap van de drie-fotonenverstrengeling in drie dimensies maakt experimenteel onderzoek mogelijk van nieuwe fundamentele vragen over het gedrag van kwantumsystemen. In aanvulling, de resultaten van dit werk kunnen ook een aanzienlijke impact hebben op toekomstige technologieën, zoals kwantumteleportatie. "Ik denk dat de methoden en technologieën die we in deze publicatie hebben ontwikkeld ons in staat stellen een groter deel van de totale kwantuminformatie van een enkel foton te teleporteren, die van belang kunnen zijn voor kwantumcommunicatienetwerken, ’ zegt Anton Zeilinger.