Oostenrijkse en Chinese wetenschappers zijn er voor het eerst in geslaagd driedimensionale kwantumtoestanden te teleporteren. Hoogdimensionale teleportatie zou een belangrijke rol kunnen spelen in toekomstige kwantumcomputers.

Onderzoekers van de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen en de Universiteit van Wenen hebben experimenteel aangetoond wat voorheen alleen een theoretische mogelijkheid was. Samen met kwantumfysici van de University of Science and Technology of China, ze zijn erin geslaagd om complexe hoogdimensionale kwantumtoestanden te teleporteren. De onderzoeksteams rapporteren deze internationale primeur in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

In hun studie hebben de onderzoekers teleporteerden de kwantumtoestand van het ene foton (lichtdeeltje) naar het andere verre. Eerder, alleen toestanden op twee niveaus ("qubits") waren verzonden, d.w.z., informatie met de waarden "0" of "1". Echter, de wetenschappers slaagden erin een staat met drie niveaus te teleporteren, een zogenaamde "qutrit". In de kwantumfysica, in tegenstelling tot de klassieke informatica, "0" en "1" zijn geen 'of/of' - beide tegelijk, of iets daar tussenin, is ook mogelijk. Het Oostenrijks-Chinese team heeft dit nu in de praktijk aangetoond met een derde mogelijkheid "2".

Nieuwe experimentele methode

Het is al sinds de jaren negentig bekend dat multidimensionale kwantumteleportatie theoretisch mogelijk is. Maar:"Eerst, we moesten een experimentele methode ontwerpen voor het implementeren van hoogdimensionale teleportatie, en om de nodige technologie te ontwikkelen", zegt Manuel Erhard van het Weense instituut voor kwantumoptica en kwantuminformatie van de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen.

De te teleporteren kwantumtoestand is gecodeerd in de mogelijke paden die een foton kan nemen. Men kan zich deze paden voorstellen als drie optische vezels. Het meest interessante, in de kwantumfysica kan een enkel foton zich ook in alle drie de optische vezels tegelijk bevinden. Om deze driedimensionale kwantumtoestand te teleporteren, de onderzoekers gebruikten een nieuwe experimentele methode. De kern van kwantumteleportatie is de zogenaamde Bell-meting. Het is gebaseerd op een multiport beamsplitter, die fotonen door verschillende ingangen en uitgangen leidt en alle optische vezels met elkaar verbindt. In aanvulling, de wetenschappers gebruikten hulpfotonen - deze worden ook naar de meervoudige bundelsplitser gestuurd en kunnen interfereren met de andere fotonen.

Door slimme selectie van bepaalde interferentiepatronen, de kwantuminformatie kan worden overgedragen naar een ander foton ver van het ingangsfoton, zonder dat de twee ooit fysiek interactie hebben. Het experimentele concept is niet beperkt tot drie dimensies, maar kan in principe worden uitgebreid tot een willekeurig aantal dimensies, zoals Erhard benadrukt.

Hogere informatiecapaciteiten voor kwantumcomputers

Hiermee, het internationale onderzoeksteam heeft ook een belangrijke stap gezet richting praktische toepassingen zoals een toekomstig quantum-internet, omdat hoogdimensionale kwantumsystemen grotere hoeveelheden informatie kunnen transporteren dan qubits. "Dit resultaat zou kunnen helpen om kwantumcomputers te verbinden met informatiecapaciteiten die verder gaan dan qubits", zegt Anton Zeilinger, kwantumfysicus aan de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen en de Universiteit van Wenen, over het innovatieve potentieel van de nieuwe methode.

De deelnemende Chinese onderzoekers zien ook grote kansen in multidimensionale kwantumteleportatie. "De basis voor de volgende generatie kwantumnetwerksystemen is gebaseerd op ons fundamentele onderzoek van vandaag", zegt Jian-Wei Pan van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China. Pan hield onlangs een lezing in Wenen op uitnodiging van de Universiteit van Wenen en de Academie.

Bij toekomstig werk, de kwantumfysici zullen zich richten op hoe de nieuw verworven kennis kan worden uitgebreid om teleportatie van de volledige kwantumtoestand van een enkel foton of atoom mogelijk te maken.