Ein Halbleiterchip für die Quantenverarbeitung (University of Rochester/J. Adam Fenster) Indem wir die „gruseligen“ Gesetze hinter Quanten nutzen Verstrickung , glauben Physiker, einen Weg gefunden zu haben, Informationen zwischen einem Elektronenpaar, das durch einen Abstand voneinander getrennt ist, überspringen zu lassen.
Grundlegende Zustände teleportieren zwischen Photonen – masselose Lichtteilchen – gehört schnell zur Vergessenheit, ein Trick, den wir immer noch auszunutzen lernen Rechnen Und verschlüsselte Kommunikation Technologie.
Aber was die neueste Forschung erreicht hat, ist die Quantenteleportation zwischen Materieteilchen – Elektronen – etwas, das helfen könnte, eine Verbindung herzustellen Quanten-Computing mit der traditionelleren elektronischen Art.
„Wir liefern Beweise für ‚Verschränkungsaustausch‘, bei dem wir eine Verschränkung zwischen zwei Elektronen erzeugen, obwohl die Teilchen nie interagieren, und für ‚Quantentor-Teleportation‘, eine potenziell nützliche Technik für Quantencomputer mithilfe von Teleportation.“ sagt Physiker John Nichol von der University of Rochester in New York.
„Unsere Arbeit zeigt, dass dies auch ohne Photonen möglich ist.“
Verschränkung ist der Fachjargon der Physik für ein scheinbar recht einfaches Konzept.
Wenn Sie in einem Geschäft ein Paar Schuhe kaufen und eines zurücklassen, wissen Sie automatisch, zu welchem Fuß es gehört, sobald Sie nach Hause kommen. Die Schuhe sind gewissermaßen verheddert.
Wenn der Ladenbesitzer bei Ihrer Rückkehr zufällig den passenden Partner herausholt, denken Sie, dass er sich entweder an Ihren Verkauf erinnert, eine glückliche Vermutung angestellt hat oder vielleicht ein wenig „unheimlich“ in seiner Vorhersage war.
Das wirklich Seltsame entsteht, wenn wir uns vorstellen, dass Ihr einsamer Schuh gleichzeitig links und rechts ist, zumindest bis Sie ihn betrachten. In diesem Moment nimmt auch der Partner des Schuhs im Laden seine Form an, als ob Ihr heimlicher Blick sich über die Distanz teleportiert hätte.
Es handelt sich um eine Art zufälligen Austausch, den Einstein als etwas zu unheimlich empfand, als dass er sich trösten könnte. Fast ein Jahrhundert, nachdem Physiker diese Möglichkeit angesprochen haben, wissen wir jetzt, dass die Teleportation zwischen verschränkten Teilchen die grundlegende Funktionsweise des Universums ist.
Obwohl es sich nicht gerade um eine Teleportation im Star-Trek-Stil handelt, die ganze Objekte durch den Weltraum befördern könnte, ist die Mathematik, die diesen Informationssprung beschreibt, äußerst nützlich, um spezielle Arten von Berechnungen in der Informatik durchzuführen.
Typische Computerlogik besteht aus einer binären Bitsprache, die entweder mit Einsen oder Nullen bezeichnet wird. Quantencomputing basiert auf Qubits, die beide Zustände gleichzeitig einnehmen können – was weitaus größere Möglichkeiten bietet, die die klassische Technologie nicht erreichen kann.
Das Problem ist, dass das Universum wie ein großes Durcheinander von Schuhen ist, die alle drohen, Ihr heikles Spiel „Rate mal, welcher Fuß“ in ein albtraumhaftes Glücksspiel zu verwandeln, sobald ein Qubit mit seiner Umgebung interagiert.
Die Manipulation von Photonen zur Übertragung ihrer verschränkten Zustände wird dadurch erleichtert, dass sie durch ein Vakuum oder eine optische Faser schnell und mit Lichtgeschwindigkeit über große Entfernungen getrennt werden können.
Aber die Trennung verschränkter Massen – etwa von Elektronenpaaren – stellt eine größere Herausforderung dar, da ihre klobigen Wechselwirkungen beim Hin- und Herspringen ihren mathematisch reinen Quantenzustand mit ziemlicher Sicherheit zerstören werden.
Es ist jedoch eine Herausforderung, die die Mühe wert ist.
„Einzelne Elektronen sind vielversprechende Qubits, weil sie sehr leicht miteinander interagieren und auch einzelne Elektronen-Qubits in Halbleitern sind skalierbar.“ sagt Nichol.
„Die zuverlässige Erzeugung von Wechselwirkungen zwischen Elektronen über große Entfernungen ist für das Quantencomputing von entscheidender Bedeutung.“
Um dies zu erreichen, nutzte das Team aus Physikern und Ingenieuren ein seltsames Kleingedrucktes in den Gesetzen, die die Art und Weise bestimmen, wie die Grundteilchen, aus denen Atome und Moleküle bestehen, ihren Platz einnehmen.
Zwei beliebige Elektronen, die denselben Quantenspinzustand haben kann nicht denselben Platz im Raum einnehmen . Aber es gibt ein kleines Schlupfloch, das besagt, dass Elektronen in der Nähe ihre Spins tauschen können, fast so, als ob Ihre Füße Schuhe tauschen könnten, wenn Sie sie nahe genug heranbringen.
Der Forscher hatten zuvor gezeigt dass dieser Austausch manipuliert werden kann, ohne dass die Elektronen überhaupt bewegt werden müssen, was eine mögliche Methode zur Teleportation darstellt.
Dieser neueste Fortschritt trägt dazu bei, den Prozess der technologischen Realität näher zu bringen und Hürden zu überwinden, die die Quantenverrücktheit mit der vorhandenen Computertechnologie verbinden würden.
„Wir liefern Beweise für ‚Verschränkungsaustausch‘, bei dem wir eine Verschränkung zwischen zwei Elektronen erzeugen, obwohl die Teilchen nie interagieren, und für ‚Quantentor-Teleportation‘, eine potenziell nützliche Technik für Quantencomputer mithilfe von Teleportation.“ sagt Nichol .
„Unsere Arbeit zeigt, dass dies auch ohne Photonen möglich ist.“
Natürlich sind wir bei dieser Art der Quanteninformationsübertragung noch weit davon entfernt, Photonen durch Elektronen zu ersetzen. Die Forscher sind noch nicht so weit gegangen, die Zustände der Elektronen selbst zu messen, was bedeutet, dass noch alle Arten von Interferenzen auszubügeln sind.
Aber starke Beweise für die Möglichkeit der Teleportation zwischen Elektronen zu haben, ist ein ermutigendes Zeichen für die Möglichkeiten, die künftigen Ingenieuren offen stehen.
Diese Forschung wurde veröffentlicht in Naturkommunikation .