Quantenteleportation auf Befehl

  • 15. August 2013

Zwei Lösungen für die deterministische Übertragung von Quantenzuständen.

Bei der Quantenteleportation übermittelt ein Objekt einen unbekannten Quantenzustand auf ein anderes. Dabei wird lediglich klassische Information übertragen. Tatsächlich nutzt man dazu die ungewöhnlichen Eigenschaften verschränkter Quantenzustände. Jetzt haben zwei Forscherteams in Japan und in der Schweiz auf unterschiedliche Weise deterministische Quantenteleportationen durchgeführt und unbekannte Quantenzustände gewissermaßen auf Knopfdruck transportiert.

Abb.: Die Quantenteleportation zwischen photonischen oder supraleitenden Qubits erfolgt mit Hilfe eines verschränkten Zustandes durch Übermittlung von klassischer Information. (Bild: T. C. Ralph, NPG)

Abb.: Die Quantenteleportation zwischen photonischen oder supraleitenden Qubits erfolgt mit Hilfe eines verschränkten Zustandes durch Übermittlung von klassischer Information. (Bild: T. C. Ralph, NPG)

Die meisten bisher durchgeführten Experimente zur Quantenteleportation verliefen nichtdeterministisch und zufällig. Das begann schon bei der Herstellung der benötigten verschränkten Quantenzustände. So erhielt man bei Teleportationsexperimenten mit Photonen nur in einem von etwa hundert Versuchen ein polarisationsverschränktes Photonenpaar, mit dem sich eine Teleportation durchführen ließ.

Solch ein Photonenpaar teilen sich Alice und Bob als „Sender“ und „Empfänger“. Alice hat zudem ein Photon mit unbekannter Polarisation, die sie auf Bobs Photon übertragen möchte. Dazu führt sie an ihren beiden unverschränkten Photonen eine „Bell-Messung“ durch, die projektiv misst, in welchem von insgesamt vier verschränkten Bell-Zuständen diese beiden Photonen sind. Das Ergebnis (1, 2, 3 oder 4) übermittelt sie an Bob, der daraufhin die Polarisation seines Photons in bestimmter Weise verändert und damit die Übertragung der (weiterhin) unbekannten Polarisation abschließt.

Bei der Bell-Messung an polarisierten Photonen tritt nun die zweite Unwägbarkeit auf. Hier lassen sich nur zwei der vier Zustände eindeutig voneinander unterscheiden, sodass man aus den Teleportationsversuchen nachträglich die erfolgreichen auswählen muss. Mit dieser nichtdeterministischen Teleportation hat man Entfernungen von über 100 km überbrückt. Deterministische Teleportationen wurden an quantenmechanisch verschränkten Ionen in Fallen durchgeführt, allerdings nur über Entfernungen von Mikrometern.

Eine deterministische Quantenteleportation über makroskopische Distanzen ist jetzt zwei Forschergruppen gelungen: Shuntaro Takeda von der University of Tokyo und seine Kollegen haben photonische Quantenbits übertragen, während Andreas Wallraff und seine Mitarbeiter von der ETH Zürich „supraleitende“ Quantenbits auf einem Chip teleportierten.

Die japanischen Forscher nutzten bei ihren Experimenten nicht die Polarisation der Photonen sondern ihre Ankunftszeit bei einem Detektor. Indem ein Strahlteiler einen Laserstrahl auf zwei verschiedenen Wegen zum Detektor schickte, brachte er die Laserphotonen in eine Überlagerung aus einem früh und einem spät ankommenden Teil: a(1,0) + b(0,1). Dies war der Ausgangszustand, der teleportiert werden sollte.

Den verschränkten Zustand, mit dessen Hilfe die deterministische Teleportation durchgeführt wurde, lieferten zwei verschränkte kohärente Lichtfelder, die kontinuierlich mit optisch-parametrischen Oszillatoren erzeugt wurden. Alice erhielt das eine Lichtfeld und überlagerte es mit dem teilweise zeitverzögerten Laserstrahl. An dem daraus resultierenden Lichtfeld führte sie eine Bell-Messung durch. Anders als bei einzelnen Photonen ließ sich der am Lichtfeld gemessene Bell-Zustand eindeutig bestimmen. Je nach Ergebnis änderte Bob mit elektrooptischen Modulatoren sein Lichtfeld. Dadurch übertrug sich der Ausganszustand auf die einzelnen Photonen von Bobs.

Bei der deterministischen Quantenteleportation von vier verschiedenen Ausgangszuständen ergab sich eine „Fidelity“ – das ist ein Maß für den „Abstand“ zweier Quantenzustände voneinander – zwischen 0,79 und 0,82. Dies liegt deutlich über 2/3, dem ohne Verschränkung erreichbaren Wert. Auf diese Weise ließen sich 5000 Ausgangszustände pro Sekunde teleportieren.

Die Forscher in der Schweiz führten die deterministische Teleportation an drei supraleitenden Qubits durch, die miteinander durch supraleitende Mikrowellenresonatoren gekoppelt waren. In den Qubits, die aus einer Leiterschleife mit einem Josephson-Kontakt bestanden, ließen sich zwei verschiedene Ladungszustände kohärent überlagern. Zunächst brachten die Forscher die drei Qubits (Q1 bis Q3) in ihren Grundzustand. Dann beförderte eine Folge von Mikrowellenpulsen die beiden Qubits Q2 und Q3 in einen verschränkten Zustand. Sodann präparierten die Forscher das Qubit Q1 in den Ausgangszustand, der teleportiert werden sollte.

Indem Andreas Wallraff und seine Kollegen die Transmissionsamplitude und die Phase des Resonators maßen, der Q1 und Q2 verband, führten sie an diesen beiden Qubits eine projektive Messung durch, die Q1 und Q2 miteinander verschränkte und in einen Bell-Zustand brachte. Je nach dem erhaltenen Bell-Zustand wurde Q3 einer entsprechenden Folge von Mikrowellenpulsen ausgesetzt, woraufhin es den Ausgangszustand vom dem 6 mm entfernten Qubit Q1 übernahm. Dabei wurden Übertragungsraten von 10.000/s erreicht. Auch hier lag die durchschnittliche Fidelity mit ca. 82 % deutlich über dem klassischen Wert 2/3.

Beide Forschergruppen sind zuversichtlich, dass sie die Güte der deterministischen Quantenteleportation in ihrem jeweiligen System noch verbessern können. Dann würde es möglich, bei der Übertragung von Quanteninformationen über große Distanzen eine Fehlerkorrektur durchzuführen. Doch auch zur Überbrückung von kleineren Entfernungen, etwa zwischen den Prozessoren in einem Quantencomputer, eröffnet die deterministische Teleportation interessante Möglichkeiten.

Rainer Scharf

PH

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