In 2005 vertelde het overlijdensbericht van natuurkundige Asher Peres in het tijdschrift Physics Today ons dat toen een journalist hem vroeg of kwantumteleportatie iemands ziel kon vervoeren evenals hun lichaam, antwoordde de wetenschapper: “Nee, niet het lichaam, alleen de ziel.” Het antwoord van Peres is meer dan alleen een simpele grap, het biedt een perfecte verklaring, gecodeerd in een metafoor, van de realiteit van een proces dat we talloze keren in sciencefiction hebben gezien. In feite bestaat teleportatie, hoewel het in de echte wereld is heel anders dan het beroemde “Beam me up, Scotty!” geassocieerd met de Star Trek-serie.

Teleportatie in de echte wetenschap begon vorm te krijgen in 1993 dankzij een theoretische studie gepubliceerd door Peres en vijf andere onderzoekers in Physical Review Letters, die de basis legde voor kwantumteleportatie. Blijkbaar was het co-auteur Charles Bennett’s idee om het voorgestelde fenomeen te associëren met het populaire idee van teleportatie, maar er is een wezenlijk verschil tussen fictie en realiteit: in de laatste is het niet zo dat reizen, maar eerder informatie, die eigendommen overdraagt van de oorspronkelijke materie tot die van de bestemmingsmaterie.

Kwantumteleportatie is gebaseerd op een hypothese die in 1935 werd beschreven door natuurkundige Albert Einstein en zijn collega’s Boris Podolsky en Nathan Rosen, bekend als de EPR-paradox. Als gevolg van de wetten van de kwantumfysica was het mogelijk om twee deeltjes te verkrijgen en ze in de ruimte te scheiden, zodat ze hun eigenschappen zouden blijven delen, als twee helften van een geheel. Dus een actie op een van hen (op A of Alice, volgens de gebruikte nomenclatuur) zou onmiddellijk effect hebben op de andere (op B of Bob). Deze “spookachtige actie op afstand”, in de woorden van Einstein, lijkt in staat om de limiet van de lichtsnelheid te overtreden.

De theorie van dit fenomeen, kwantumverstrengeling genaamd, werd later in 1964 ontwikkeld door John Stewart Bell en werd bevestigd door talrijke experimenten. Het werk van Peres, Bennett en hun medewerkers stelde voor dat een derde deeltje zou kunnen interageren met dat van Alice en een kwantumtoestand – de waarde van een van zijn fysische eigenschappen – om over te dragen naar die van Bob, zodat het die toestand zou verwerven. Zonder overdracht van materie zou het Bob-deeltje worden omgezet in een kopie van het interactieve Alice-deeltje, en er zou nooit fysiek contact tussen zijn geweest ze.

Geteleporteerde qubits

Sinds 1998 hebben verschillende experimenten deze kwantumteleportatie bereikt, aanvankelijk met individuele fotonen, daarna atomen en meer complexe systemen. In eerste instantie werd het fenomeen op korte afstand gedemonstreerd, dat in latere onderzoeken toenam tot honderden meters en kilometers. Het huidige record is de teleportatie van fotonen op 1.400 kilometer van de aarde naar de Micius-satelliet in een baan om de aarde, een prestatie die in 2017 met succes werd uitgevoerd door het team onder leiding van Jian-Wei Pan van de Chinese Universiteit voor Wetenschap en Technologie in Hefei (USTC). / p>

In deze experimenten wordt informatie verzonden die in bits is gecodeerd. In klassieke zin is een bit een basiseenheid van binaire informatie die de waarde 0 of 1 aanneemt. Bij de toepassing op kwantumtoestanden kan een bit informatie bevatten over bijvoorbeeld de spin van een deeltje (een soort rotatie ). Maar in de kwantumversie van de bit, de qubit, kan de waarde zowel 0 als 1 zijn of een andere waarde, zoals 2, aangezien de kwantummechanica toestaat dat toestanden elkaar overlappen. Dit is de reden waarom kwantumcomputing wordt gezien als een krachtigere technologie dan traditioneel computergebruik, aangezien de capaciteit om informatie op te slaan en te verwerken veel groter is.

Het is echter essentieel om te benadrukken dat kwantumteleportatie niet dient om gegevens ogenblikkelijk of sneller dan de lichtsnelheid. De reden is dat Bob aanvullende informatie nodig heeft over de metingen van Alice die niet via het verstrengelde deeltjessysteem wordt verzonden en daarom via een ander kanaal moet worden verzonden; voor elke geteleporteerde qubit moeten twee klassieke bits worden verzonden, en dit kan alleen worden gedaan op traditionele manieren die hoogstens de lichtsnelheid bereiken.

Een toekomstig kwantumnetwerk

Maar ondanks deze beperking zien de mogelijkheden van kwantumteleportatie er steeds veelbelovender uit naarmate nieuwe mijlpalen worden bereikt. Dit jaar hebben twee teams van onderzoekers voor het eerst gerapporteerd over de overdracht van qutrits, of driedimensionale informatie-eenheden (die drie waarden kunnen aannemen, 0, 1 en 2). “Beide studies hebben de teleportatie van qutrit aangetoond.Het belangrijkste verschil is de methode die we hebben gebruikt ”, legt Bi-Heng Liu, natuurkundige aan UCTC en co-auteur van een van de nog niet gepubliceerde onderzoeken, uit aan OpenMind.

Op dit moment is er echter nog enige controverse gaande tussen de twee teams. Zoals uitgelegd aan OpenMind door natuurkundige Chao-Yang Lu, ook van UCTC en co-auteur van de andere studie, gepubliceerd in Physical Review Letters, met betrekking tot het werk van zijn collega’s, “is de zeer kwantum-aard van teleportatie niet aangetoond. . ” Mede-auteur van dezelfde studie Manuel Erhard, van de Universiteit van Wenen, gelooft ook dat in Liu’s experiment “de metingen en resultaten niet voldoende zijn om echte driedimensionale en universele kwantumteleportatie te claimen.” Liu verdedigt van zijn kant zijn resultaten: “We hebben de numerieke simulatie gedaan en de teleportatie van qutrits bevestigd.”

De controverse strekt zich ook uit tot de mogelijkheden om het systeem naar een groter aantal dimensies te schalen. tegen Liu, “beide schema’s zijn schaalbaar.” Erhard van zijn kant stelt dat zijn eigen systeem gemakkelijk kan worden uitgebreid tot elke dimensie: “Het is een kwestie van technologische ontwikkeling om de dimensionaliteit verder te vergroten”, zegt hij. Aan de andere kant weet hij niet zeker of hetzelfde kan worden gezegd. over het systeem van zijn collega’s.

Maar wat heeft het voor zin om deze experimenten uit te breiden naar een groter aantal dimensies? “Een mogelijke toepassing van hoog-dimensionale kwantumteleportatie ligt in kwantumnetwerken”, legt Erhard uit aan OpenMind. “Zo stellen we ons een toekomstig kwantumnetwerk voor dat is gebaseerd op hoger-dimensionale alfabetten. Deze hebben bijvoorbeeld het voordeel van hogere informatiecapaciteiten en ook een grotere weerstand tegen ruis.”

Daarom overstappen van qubit naar qutrit, en van daaruit naar ququart, enzovoort, legt nu de basis voor toekomstige kwantumcomputernetwerken. Lu voorspelt dat zijn systeem de zogenaamde kwantumoverheersing zal bereiken, het vermogen om problemen op te lossen die niet haalbaar zijn met klassiek computergebruik: implementatie van multi-foton multidimensionale kwantumcomputingsexperimenten, boson-sampling genaamd, en hopelijk hopen we in de nabije toekomst 30-50 fotonen te beheersen om kwantumoverheersing te bereiken. @ yanes68