Den Forschern ist es gelungen, trotz des Vorhandenseins von Rauschen, das normalerweise die Übertragung des Quantenzustands stört, eine nahezu perfekte Quantenteleportation durchzuführen. Die Ergebnisse waren veröffentlicht im Tagebuch Wissenschaftliche Fortschritte.
Bei der Teleportation wird der Zustand eines Quantenteilchens oder Qubits von einem Ort an einen anderen übertragen, ohne dass das Teilchen selbst gesendet wird. Diese Übertragung erfordert Quantenressourcen, beispielsweise die Verschränkung zwischen einem zusätzlichen Qubit-Paar.
Im Idealfall gelingt die Übertragung und Teleportation des Qubit-Zustands perfekt. Allerdings sind reale Systeme anfällig für Lärm und Störungen – und dies verringert und begrenzt die Qualität der Teleportation.
Forscher der Universität Turku (Finnland) und der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas (Hefei) haben nun eine theoretische Idee vorgeschlagen und entsprechende Experimente durchgeführt, um dieses Problem zu überwinden. Mit anderen Worten: Der neue Ansatz ermöglicht es, trotz vorhandenem Rauschen eine qualitativ hochwertige Teleportation zu erreichen.
„Die Arbeit basiert auf der Idee, die Verschränkung – vor der Ausführung des Teleportationsprotokolls – über die verwendeten Qubits hinaus zu verteilen, also die hybride Verschränkung zwischen verschiedenen physikalischen Freiheitsgraden auszunutzen“, sagt Professor Jyrki Piilo von der Universität Turku.
Herkömmlicherweise wurde die Polarisation von Photonen für die Verschränkung von Qubits bei der Teleportation genutzt, während der aktuelle Ansatz die hybride Verschränkung zwischen der Polarisation und der Frequenz der Photonen ausnutzt.
„Dies ermöglicht eine signifikante Änderung in der Art und Weise, wie das Rauschen das Protokoll beeinflusst, und tatsächlich kehrt unsere Entdeckung die Rolle des Rauschens von schädlich zu vorteilhaft für die Teleportation um“, sagt Piilo.
Bei herkömmlicher Qubit-Verschränkung in Gegenwart von Rauschen funktioniert das Teleportationsprotokoll nicht. In einem Fall, in dem zunächst eine hybride Verschränkung und kein Rauschen vorliegt, funktioniert die Teleportation ebenfalls nicht.
„Wenn wir jedoch eine hybride Verschränkung haben und Rauschen hinzufügen, erfolgen die Teleportation und der Quantenzustandstransfer nahezu perfekt“, sagt Dr. Olli Siltanen, dessen Doktorarbeit den theoretischen Teil der aktuellen Forschung darstellte.
Im Allgemeinen ermöglicht die Entdeckung eine nahezu ideale Teleportation, obwohl bei der Verwendung von Photonen zur Teleportation bestimmte Arten von Rauschen auftreten.
„Obwohl wir in unserem Labor zahlreiche Experimente zu verschiedenen Aspekten der Quantenphysik mit Photonen durchgeführt haben, war es sehr aufregend und lohnend, zu sehen, wie dieses sehr anspruchsvolle Teleportationsexperiment erfolgreich abgeschlossen wurde“, sagt Dr. Zhao-Di Liu von der Universität für Wissenschaft und Technologie von China, Hefei.
„Dies ist ein bedeutendes Proof-of-Principle-Experiment im Kontext eines der wichtigsten Quantenprotokolle“, sagt Professor Chuan-Feng Li von der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas in Hefei.
Teleportation hat wichtige Anwendungen, z. B. bei der Übertragung von Quanteninformationen, und es ist von größter Bedeutung, Ansätze zu haben, die diese Übertragung vor Rauschen schützen und für andere Quantenanwendungen verwendet werden können.
Die Ergebnisse der aktuellen Studie können als Grundlagenforschung betrachtet werden, die von erheblicher grundlegender Bedeutung ist und interessante Wege für zukünftige Arbeiten eröffnet, um den Ansatz auf allgemeine Arten von Rauschquellen und andere Quantenprotokolle auszudehnen.
Mehr Informationen:
Zhao-Di Liu et al., Überwindung von Rauschen in der Quantenteleportation mit mehrteiliger Hybridverschränkung, Wissenschaftliche Fortschritte (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adj3435