Im Jahr 2005 sagte uns der Nachruf des Physikers Asher Peres in der Zeitschrift Physics Today, als ein Journalist ihn fragte, ob Quantenteleportation die Seele eines Menschen transportieren könne Neben ihrem Körper antwortete der Wissenschaftler: „Nein, nicht der Körper, nur die Seele.“ Peres ‚Antwort ist mehr als nur ein einfacher Witz. Sie bietet in einer Metapher eine perfekte Erklärung für die Realität eines Prozesses, den wir unzählige Male in der Science-Fiction gesehen haben. Tatsächlich gibt es Teleportation, obwohl dies in der realen Welt der Fall ist ganz anders als das berühmte „Beam me up, Scotty!“ verbunden mit der Star Trek-Reihe.

Die Teleportation in der realen Wissenschaft nahm 1993 dank einer theoretischen Studie Gestalt an, die von Peres und fünf anderen Forschern in Physical Review Letters veröffentlicht wurde und die Grundlage für die Quantenteleportation legte. Anscheinend war es die Idee des Mitautors Charles Bennett, das vorgeschlagene Phänomen mit der populären Idee der Teleportation in Verbindung zu bringen, aber es gibt einen wesentlichen Unterschied zwischen Fiktion und Realität: Bei letzterer geht es nicht um Reisen, sondern um Informationen, von denen Eigenschaften übertragen werden Die ursprüngliche Materie entspricht der der Zielmaterie.

Die Quantenteleportation basiert auf einer Hypothese, die 1935 vom Physiker Albert Einstein und seinen Kollegen Boris Podolsky und Nathan Rosen, bekannt als EPR-Paradoxon, beschrieben wurde. Infolge der Gesetze der Quantenphysik war es möglich, zwei Teilchen zu erhalten und im Raum zu trennen, so dass sie weiterhin ihre Eigenschaften als zwei Hälften eines Ganzen teilen konnten. Somit würde eine Aktion auf einen von ihnen (auf A oder Alice gemäß der verwendeten Nomenklatur) sofort einen Effekt auf den anderen (auf B oder Bob) haben. Diese „gruselige Fernwirkung“ scheint nach Einsteins Worten in der Lage zu sein, die Grenze der Lichtgeschwindigkeit zu überschreiten.

Die Theorie dieses Phänomens, Quantenverschränkung genannt, wurde später von John Stewart Bell im Jahr 1964 entwickelt und durch zahlreiche Experimente bestätigt. Die Arbeit von Peres, Bennett und ihren Mitarbeitern schlug vor, dass ein drittes Teilchen mit Alice interagieren und a verlieren könnte Quantenzustand – der Wert einer seiner physikalischen Eigenschaften -, der auf den von Bob übertragen werden soll, damit er diesen Zustand annimmt. Ohne eine Übertragung von Materie würde das Bob-Teilchen in eine Kopie des interaktiven Alice-Teilchens umgewandelt, und es hätte niemals physischen Kontakt zwischen ihnen gegeben sie.

Teleportierte Qubits

Seit 1998 haben verschiedene Experimente diese Quantenteleportation erreicht, zunächst unter Verwendung einzelner Photonen, dann Atome und komplexerer Systeme. Zunächst wurde das Phänomen in kurzer Entfernung demonstriert, was sich in späteren Studien auf Hunderte von Metern und Kilometern erhöhte. Der aktuelle Rekord ist die Teleportation von Photonen 1.400 Kilometer von der Erde zum Micius-Satelliten in der Erdumlaufbahn, eine Leistung, die 2017 von dem Team unter der Leitung von Jian-Wei Pan an der chinesischen Universität für Wissenschaft und Technologie in Hefei (USTC) erfolgreich durchgeführt wurde / p>

In diesen Experimenten werden Informationen übertragen, die in Bits codiert sind. Im klassischen Sinne ist ein Bit eine Grundeinheit binärer Informationen, die den Wert 0 oder 1 annimmt. Bei seiner Anwendung auf Quantenzustände kann ein Bit Informationen über beispielsweise den Spin eines Teilchens (eine Art Rotation) enthalten ). In der Quantenversion des Bits, dem Qubit, kann sein Wert jedoch sowohl 0 als auch 1 oder ein anderer Wert wie 2 sein, da die Quantenmechanik die Überlappung von Zuständen zulässt. Aus diesem Grund wird Quantencomputer als leistungsstärkere Technologie als herkömmliches Computing angesehen, da seine Kapazität zum Speichern und Verarbeiten von Informationen viel größer ist.

Es ist jedoch wichtig zu betonen, dass Quantenteleportation nicht zur Übertragung dient Daten sofort oder schneller als Lichtgeschwindigkeit. Der Grund ist, dass Bob zusätzliche Informationen über Alices Messungen erhalten muss, die nicht über das verschränkte Partikelsystem übertragen werden und daher über einen anderen Kanal gesendet werden müssen. Für jedes teleportierte Qubit müssen zwei klassische Bits übertragen werden, und dies kann nur auf herkömmliche Weise erfolgen, die höchstens die Lichtgeschwindigkeit erreichen.

Ein zukünftiges Quantennetzwerk

Trotz dieser Einschränkung werden die Möglichkeiten der Quantenteleportation immer vielversprechender, wenn neue Meilensteine erreicht werden. In diesem Jahr haben zwei Forscherteams zum ersten Mal über die Übertragung von Qutriten oder dreidimensionalen Informationseinheiten berichtet (die drei Werte annehmen können, 0, 1 und 2). „Beide Studien haben die Teleportation von Qutrit gezeigt.Der Hauptunterschied ist die von uns verwendete Methode “, erklärt Bi-Heng Liu, Physiker an der UCTC und Co-Autor einer der noch nicht veröffentlichten Studien, OpenMind.

Derzeit gibt es jedoch noch einige Kontroversen zwischen den beiden Teams. Wie der Physiker Chao-Yang Lu, ebenfalls von UCTC und Mitautor der anderen Studie, die in Physical Review Letters veröffentlicht wurde, gegenüber OpenMind in Bezug auf die Arbeit seiner Kollegen erklärte, „wurde die Quantennatur der Teleportation nicht nachgewiesen . ” Der Mitautor derselben Studie, Manuel Erhard von der Universität Wien, glaubt auch, dass in Lius Experiment „die Messungen und Ergebnisse nicht ausreichen, um eine echte dreidimensionale und universelle Quantenteleportation zu behaupten“. Liu seinerseits verteidigt seine Ergebnisse: „Wir haben die numerische Simulation durchgeführt und die Teleportation von Qutriten bestätigt.“

Die Kontroverse erstreckt sich auch auf die Möglichkeiten, das System auf eine größere Anzahl von Dimensionen zu skalieren Für Liu sind „beide Schemata skalierbar“. Erhard seinerseits argumentiert, dass sein eigenes System leicht auf jede Dimension erweitert werden kann: „Es ist eine Frage der technologischen Entwicklung, die Dimensionalität weiter zu erhöhen“, sagt er. Andererseits ist er sich nicht sicher, ob dies auch gesagt werden kann über das System seiner Kollegen.

Aber was bringt es, diese Experimente auf eine größere Anzahl von Dimensionen auszudehnen? „Eine mögliche Anwendung der hochdimensionalen Quantenteleportation liegt in Quantennetzwerken“, erklärt Erhard OpenMind. „Daher stellen wir uns ein zukünftiges Quantennetzwerk vor, das auf höherdimensionalen Alphabeten basiert. Diese bieten beispielsweise den Vorteil höherer Informationskapazitäten und eines höheren Rauschwiderstands.“

Daher bewegen wir uns vom Qubit weg zu qutrit und von dort zu ququart und so weiter legt nun den Grundstein für zukünftige Quantencomputernetzwerke. Lu sagt voraus, dass sein System eine sogenannte Quantenüberlegenheit erreichen wird, die Fähigkeit, Probleme zu lösen, die mit klassischem Computing nicht erreichbar sind: „Wir sind Implementierung von mehrdimensionalen Mehrphotonen-Quantencomputerexperimenten, die als Bosonenabtastung bezeichnet werden, und hoffentlich hoffen wir, in naher Zukunft 30-50 Photonen zu steuern, um die Quantenüberlegenheit zu erreichen. “

Javier Yanes

@ yanes68