«Qutrit»: Σύνθετη κβαντική τηλεμεταφορά επετεύχθη για πρώτη φορά

Αυστριακοί και Κινέζοι επιστήμονες πέτυχαν για πρώτη φορά την τηλεμεταφορά τρισδιάστατων κβαντικών καταστάσεων. Η πολλών διαστάσεων τηλεμεταφορά θα μπορούσε να παίξει σημαντικό ρόλο στους μελλοντικούς κβαντικούς υπολογιστές.

Ερευνητές από την Αυστριακή Ακαδημία Επιστημών και το Πανεπιστήμιο της Βιέννης επέδειξαν πειραματικά κάτι που ήταν προηγουμένως μόνο θεωρητική πιθανότητα. Μαζί με κβαντικούς φυσικούς από το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας, πέτυχαν την τηλεμεταφορά σύνθετων πολλών διαστάσεων κβαντικών καταστάσεων. Οι ερευνητικές ομάδες ανέφεραν αυτή τη διεθνώς πρώτη επίδειξη στο περιοδικό Physical Review Letters.

Στη μελέτη τους, οι ερευνητές τηλεμετέφεραν την κβαντική κατάσταση ενός φωτονίου σε ένα άλλο απομακρυσμένο φωτόνιο. Προηγουμένως, μόνο δύο επιπέδων καταστάσεις («qubits») είχαν τηλεμεταφερθεί, δηλαδή, πληροφορία με τιμές «0» ή «1». Ωστόσο, οι επιστήμονες πέτυχαν στην τηλεμεταφορά μιας τριών επιπέδων κατάστασης, αποκαλούμενη «qutrit». Στην κβαντική φυσική, αντίθετα από την κλασική επιστήμη των υπολογιστών, «0» και «1» δεν είναι το ένα ή το άλλο – είναι επίσης πιθανό και τα δυο ταυτόχρονα, ή οτιδήποτε μεταξύ τους. Η Αυστρο-Κινεζική ομάδα έχει τώρα επιδείξει αυτά στην πράξη με ένα τρίτο ενδεχόμενο «2».

Νέα πειραματική μέθοδος

Ήταν γνωστό από τη δεκαετία του 1990 ότι η πολυδιάστατη κβαντική τηλεμεταφορά είναι θεωρητικά δυνατή. Ωστόσο: «Πρώτα, έπρεπε να σχεδιάσουμε μια πειραματική μέθοδο για υλοποίηση τηλεμεταφοράς πολλών διαστάσεων, καθώς επίσης να αναπτύξουμε την απαραίτητη τεχνολογία», ανέφερε ο Manuel Erhard από το Βιεννέζικο Ινστιτούτο Κβαντικής Οπτικής και Κβαντικής Πληροφορίας της Αυστριακής Ακαδημίας Επιστημών.

Για να τηλεμεταφερθεί η κβαντική κατάσταση κωδικοποιείται στις πιθανές διαδρομές που ένα φωτόνιο μπορεί να πάρει. Μπορεί κάποιος να απεικονίσει τις διαδρομές αυτές σαν τρεις οπτικές ίνες. Το πιο ενδιαφέρον, στην κβαντική φυσική ένα μεμονωμένο φωτόνιο μπορεί επίσης να εντοπιστεί και στις τρεις οπτικές ίνες την ίδια στιγμή. Για να τηλεμεταφέρουν αυτή την τρισδιάστατη κβαντική κατάσταση, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια νέα πειραματική μέθοδο. Ο πυρήνας της κβαντικής τηλεμεταφοράς είναι η αποκαλούμενη μέτρηση Bell. Βασίζεται σε έναν πολυθυρικό διανεμητή δέσμης, ο οποίος κατευθύνει τα φωτόνια μέσω πολλών εισροών και εκροών και συνδέει όλες τις οπτικές ίνες μαζί. Επιπροσθέτως, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν βοηθητικά φωτόνια – αυτά στέλνονται επίσης στον πολυθυρικό διανεμητή δέσμης και μπορούν να συμβάλλουν με τα άλλα φωτόνια.

Μέσω έξυπνων επιλογών ορισμένων μοτίβων συμβολής, η κβαντική πληροφορία μπορεί να μεταφερθεί σε ένα άλλο φωτόνιο μακριά από το εισιόν φωτόνιο, χωρίς τα δύο να αλληλεπιδράσουν φυσικά. Όπως υπογραμμίζει ο Erhard, η πειραματική ιδέα δεν περιορίζεται σε τρεις διαστάσεις, αλλά κατ’ αρχήν επεκτείνεται σε οποιοδήποτε αριθμό διαστάσεων.

Υψηλότερες χωρητικότητες πληροφορίας για κβαντικούς υπολογιστές

Με αυτό, η διεθνής ερευνητική ομάδα έχει επίσης κάνει ένα σημαντικό βήμα προς την κατεύθυνση πρακτικών εφαρμογών όπως ένα μελλοντικό κβαντικό internet, καθώς πολλών διαστάσεων κβαντικά συστήματα μπορούν να μεταφέρουν μεγαλύτερα ποσά πληροφορίας από ότι τα qubits. «Το αποτέλεσμα αυτό θα μπορούσε να βοηθήσει για να συνδέσει κβαντικούς υπολογιστές με χωρητικότητες πληροφορίας πέρα από τα qubits», λέει ο Anton Zeilinger, κβαντικός φυσικός στην Αυστριακή Ακαδημία Επιστημών και στο Πανεπιστήμιο της Βιέννης, σχετικά με καινοτόμο προοπτική της νέας μεθόδου.

Οι συμμετέχοντες Κινέζοι ερευνητές επίσης βλέπουν μεγάλες ευκαιρίες στην πολυδιάστατη κβαντική τηλεμεταφορά. «Οι βάσεις για τα συστήματα κβαντικών δικτύων της επόμενης γενιάς χτίζονται στη σημερινή μας βασική έρευνα», σημειώνει ο Jian-Wei Pan από το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας. Ο Pan πρόσφατα πραγματοποίησε διάλεξη στη Βιέννη με πρόσκληση του Πανεπιστημίου της Βιέννης και της Ακαδημίας.

Σε μελλοντική εργασία, οι κβαντικοί φυσικοί θα εστιάσουν στο πώς να επεκτείνουν τη νεοαποκτηθείσα γνώση για να ενεργοποιήσουν τηλεμεταφορά της όλης κβαντικής κατάστασης ενός μεμονωμένου φωτονίου ή ατόμου.

Πηγή: University of Vienna

Περισσότερα στη δημοσίευση: Quantum teleportation in high dimensions. Physical Review Letters.