"Qutrit": Komplexe Quantenteleportation erstmals gelungen

Was bislang nur eine theoretische Möglichkeit war, haben Forscher der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) und der Universität Wien nun erstmals experimentell durchgeführt: Gemeinsam mit Quantenphysikern der University of Science and Technology of China gelang ihnen die Teleportation komplexer hochdimensionaler Quantenzustände. Über diese internationale Premiere berichtet das Forschungsteam nun im Fachjournal „Physical Review Letters“.

Für ihre Studie teleportierten die Forscher einen Quantenzustand von einem Photon (Lichtteilchen) zu einem anderen. In bisherigen Experimenten wurden nur Zwei-Ebenen-Zustände („Qubits“) übertragen, also Informationen mit dem Wert „0“ oder „1“. Den Wissenschaftlern gelang es nun aber, einen Drei-Ebenen-Zustand („Qutrit“) zu übertragen. Anders als in der Computertechnik ist „0“ und „1“ aber keine Frage von entweder-oder, denn laut den Gesetzen der Quantenphysik ist theoretisch auch beides gleichzeitig oder auch alles dazwischen möglich – nun eben auch mit einer dritten Möglichkeit „2“, wie das österreichisch-chinesische Team in der Praxis zeigen konnte.

Eigens entwickelte, neue experimentelle Methode

Dass die mehrdimensionale Quantenteleportation theoretisch machbar ist, war zwar schon seit den 1990er Jahren bekannt. „Die tatsächliche Realisierung im Labor und die dazu benötigte Technologie mussten wir aber erst entwickeln“, berichtet Manuel Erhard vom Wiener Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der ÖAW.

Beim übertragenen Quantenzustand handelt es sich um die Information, in welcher von drei möglichen Glasfasern (Lichtleitern) sich ein Photon befindet. Dabei kann sich dieses Photon auch auf allen drei Glasfasern gleichzeitig befinden. Um diese Quanteninformation bzw. diesen Quantenzustand zu teleportieren, verwendeten die Forscher eine neue experimentelle Anordnung. Das Herzstück der Quantenteleportation bildet die sogenannte Bell-Messung. Sie basiert einerseits auf einem Mehrfach-Strahlteiler, der Photonen durch mehrere Ein- und Ausgänge leitet und alle Glasfasern miteinander verbindet. Zusätzlich kommen nun auch Hilfsphotonen zum Einsatz, die ebenfalls in den Mehrfach-Strahlteiler gesendet werden und mit den anderen Photonen interferieren können.

Durch die geschickte Auswahl bestimmter Interferenzmuster, kann nun die Quanteninformation dort, wo sich das Eingangsphoton befunden hat, auf ein anderes weit entferntes Photon übertragen werden. Und das, obwohl die Photonen zu keinem Zeitpunkt physisch miteinander in Kontakt standen. Das nun erfolgreich getestete Setting ist übrigens nicht auf drei Dimensionen beschränkt, sondern prinzipiell auf beliebig viele Dimensionen erweiterbar, wie Erhard betont.

Höhere Informationskapazitäten für Quantencomputer

Damit ist dem internationalen Forschungsteam auch ein wichtiger Schritt hin zu praktischen Anwendungen wie einem Quanteninternet gelungen, schließlich können höherdimensionale Quantensysteme deutlich größere Informationsmengen transportieren. „Dieses Ergebnis könnte hilfreich sein, mehrere Quantencomputer gleichzeitig miteinander zu verbinden, und zwar mit höheren Informationskapazitäten als mit Qubits prinzipiell möglich“, beschreibt Anton Zeilinger, Quantenphysiker an der ÖAW und der Universität Wien, das innovative Potenzial der neuen Methode.

Auch die beteiligten chinesischen Forscher sehen große Chancen in der mehrdimensionalen Quantenteleportation. „Den Grundstein für die nächste Generation von Quantenkryptographie-Systemen legt unsere heutige Grundlagenforschung“, sagt Jian-Wei Pan, der an der University of Science and Technology of China forscht und kürzlich auf Einladung von Universität Wien und ÖAW einen Vortrag in Wien hielt.

Die nächsten Forschungen der Quantenphysiker werden sich nun mit der Frage befassen, wie man die neugewonnenen Erkenntnisse erweitern kann, um den gesamten Quantenzustand eines einzelnen Photons oder Atoms zu teleportieren.

Manuel Erhard
Österreichische Akademie der Wissenschaften
Institut für Quantenoptik und Quanteninformation Wien
Boltzmanngasse 3, 1090 Wien
T +43 1 4277-29568
M +43 664 75026762
manuel.erhard@oeaw.ac.at

„Quantum teleportation in high dimensions“, Yi-Han Luo, Han-Sen Zhong, Manuel Erhard, Xi-Lin Wang, Li-Chao Peng, Mario Krenn, Xiao Jiang, Li Li, Nai-Le Liu, Chao-Yang Lu, Anton Zeilinger, and Jian-Wei Pan, Physical Review Letters, 2019
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.070505

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