Natuurkundigen van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een computercircuitinstructie geteleporteerd die bekend staat als een kwantumlogische bewerking tussen twee gescheiden ionen (elektrisch geladen atomen), laten zien hoe kwantumcomputerprogramma's taken kunnen uitvoeren in toekomstige grootschalige kwantumnetwerken.

Quantumteleportatie draagt ​​gegevens over van het ene kwantumsysteem (zoals een ion) naar het andere (zoals een tweede ion), zelfs als de twee volledig van elkaar geïsoleerd zijn, als twee boeken in de kelders van afzonderlijke gebouwen. In deze levensechte vorm van teleportatie, alleen kwantuminformatie, maakt niet uit, wordt vervoerd, in tegenstelling tot de Star Trek-versie van het "stralen" van hele menselijke wezens van, zeggen, een ruimteschip naar een planeet.

Teleportatie van kwantumgegevens is eerder aangetoond met ionen en een verscheidenheid aan andere kwantumsystemen. Maar het nieuwe werk is het eerste dat een complete kwantumlogische operatie teleporteert met ionen, een leidende kandidaat voor de architectuur van toekomstige kwantumcomputers. De experimenten worden beschreven in het nummer van 31 mei van: Wetenschap .

"We hebben geverifieerd dat onze logische bewerking werkt op alle invoerstatussen van twee kwantumbits met een waarschijnlijkheid van 85 tot 87% - verre van perfect, maar het is een begin, "NIST-natuurkundige Dietrich Leibfried zei.

Een volledige kwantumcomputer, als er een gebouwd kan worden, zou bepaalde problemen kunnen oplossen die momenteel hardnekkig zijn. NIST heeft bijgedragen aan wereldwijde onderzoeksinspanningen om kwantumgedrag te benutten voor praktische technologieën, inclusief inspanningen om kwantumcomputers te bouwen.

Om kwantumcomputers te laten presteren zoals gehoopt, ze zullen waarschijnlijk miljoenen kwantumbits nodig hebben, of "qubits, " evenals manieren om bewerkingen uit te voeren tussen qubits die zijn verdeeld over grootschalige machines en netwerken. Teleportatie van logische bewerkingen is een manier om dat te doen zonder directe kwantummechanische verbindingen (fysieke verbindingen voor de uitwisseling van klassieke informatie zullen nog steeds nodig zijn).

Het NIST-team teleporteerde een kwantumgestuurde-NIET (CNOT) logische operatie, of logische poort, tussen twee qubits van beryllium-ionen die meer dan 340 micrometer (miljoensten van een meter) van elkaar verwijderd zijn in afzonderlijke zones van een ionenval, een afstand die elke substantiële directe interactie uitsluit. Een CNOT-bewerking draait de tweede qubit van 0 naar 1, of vice versa, alleen als de eerste qubit 1 is; er gebeurt niets als de eerste qubit 0 is. Op typische kwantummanier, beide qubits kunnen zich in "superposities" bevinden waarin ze tegelijkertijd waarden van zowel 1 als 0 hebben.

Het NIST-teleportatieproces is gebaseerd op verstrengeling, die de kwantumeigenschappen van deeltjes verbindt, zelfs als ze gescheiden zijn. Een "messenger" paar verstrengelde magnesiumionen wordt gebruikt om informatie tussen de berylliumionen over te dragen (zie infographic).

Het NIST-team ontdekte dat het geteleporteerde CNOT-proces de twee magnesiumionen verstrengelde - een cruciale vroege stap - met een succespercentage van 95%, terwijl de volledige logische operatie 85% tot 87% van de tijd lukte.

"Gate-teleportatie stelt ons in staat een kwantumlogische poort uit te voeren tussen twee ionen die ruimtelijk gescheiden zijn en mogelijk nog nooit eerder interactie hebben gehad, "Zei Leibfried. "De truc is dat ze elk een ion van een ander verstrengeld paar aan hun zijde hebben, en deze verstrikkingsbron, voor de poort uitgedeeld, stelt ons in staat een kwantumtruc uit te voeren die geen klassieke tegenhanger heeft."

"De verstrengelde messenger-paren kunnen worden geproduceerd in een speciaal deel van de computer en afzonderlijk worden verzonden naar qubits die moeten worden verbonden met een logische poort, maar zich op afgelegen locaties bevinden, " voegde Leibfried eraan toe.

Het NIST-werk is ook geïntegreerd in een enkel experiment, Voor de eerste keer, verschillende operaties die essentieel zullen zijn voor het bouwen van grootschalige kwantumcomputers op basis van ionen, inclusief controle van verschillende soorten ionen, ionen transport, en verstrengelingsbewerkingen op geselecteerde subsets van het systeem.

Om te verifiëren dat ze een CNOT-poort hebben uitgevoerd, de onderzoekers bereidden de eerste qubit voor in 16 verschillende combinaties van invoerstatussen en maten vervolgens de uitvoer op de tweede qubit. Dit leverde een gegeneraliseerde kwantum "waarheidstabel" op die het proces liet zien.

Naast het genereren van een waarheidstabel, de onderzoekers controleerden de consistentie van de gegevens over langere looptijden om foutbronnen in de experimentele opstelling te helpen identificeren. Deze techniek zal naar verwachting een belangrijk hulpmiddel zijn bij het karakteriseren van kwantuminformatieprocessen in toekomstige experimenten.