Itävallan tiedeakatemian ja Wienin yliopiston tutkijat ovat yhdessä kiinalaisten tutkijoiden kanssa onnistuneet teleportoimaan kolmiulotteisia kvanttitiloja ensimmäistä kertaa. Korkean ulottuvuuden teleportaatiolla voi olla tärkeä rooli tulevissa kvanttitietokoneissa.
Tutkimuksessa on kokeellisesti osoitettu se, mikä aikaisemmin oli vain teoreettinen mahdollisuus. Yhdessä Kiinan tiede- ja teknologiayliopiston kvanttifysiikoiden kanssa wieniläistutkijat ovat onnistuneet teleportoimaan monimutkaisia korkean ulottuvuuden kvanttitiloja.
Työssään tutkijat teleportoivat yhden fotonin kvanttitilan siirron toiseen etäällä sijanneeseen. Aikaisemmin vain kaksitasoisia tiloja (kubittejä) oli siirretty, ts. informaatiota arvoilla "0" tai "1". Tutkijat onnistuivat kuitenkin teleportoimaan kolmitasoisen tilan, ns. Qutritin. Kvanttifysiikassa "0" ja "1" voivat olla molemmat samanaikaisesti tai mikä tahansa niiden välissä. Itävallan ja Kiinan tieteilijät ovat nyt osoittaneet tämän myös kolmannella mahdollisuudella "2".
1990-luvulta lähtien on ollut tiedossa, että moniulotteinen kvanttiteleportointi on teoriassa mahdollista. Mutta ensin tukijoiden oli suunniteltava kokeellinen menetelmä sen toteuttamiseksi.
Teleportoitava kvanttitila koodataan mahdollisille poluille, joita fotoni voi viedä. Nämä polut voidaan kuvata esimerkiksi kolmella optisella kuidulla. Mielenkiintoisinta on, että kvanttifysiikassa yksi fotoni voi sijaita kaikissa näissä kolmessa optisessa kuidussa samanaikaisesti.
Kolmiulotteisen kvanttitilan teleportoimiseksi tutkijat käyttivät uutta kokeellista menetelmää. Kvanttiteleportaation ydin on ns. Bell-mittaus, jonka lisäksi tutkijat käyttivät apufotoneja, jotka voivat interferoida muiden fotonien kanssa.
Valitsemalla tietyt interferenssikuviot kvanttitiedot voidaan siirtää toiseen fotoniin, joka on kaukana syöttöfotonista, ilman että nämä kaksi ovat koskaan fyysisesti vuorovaikutuksessa. Kokeellinen käsite ei rajoitu kolmeen ulottuvuuteen, vaan se voidaan periaatteessa laajentaa mihin tahansa ulottuvuuteen, tutkijat korostavat.
Tämän avulla tutkimus on myös astunut tärkeän askeleen kohti käytännöllisiä sovelluksia, kuten tulevaisuuden kvantti-internetiä, koska korkeaulotteiset kvanttijärjestelmät voivat kuljettaa suurempia määriä informaatiota kuin kubitit.
Tulevissa tutkimuksissa kvanttifyysikot keskittyvät siihen, kuinka äskettäin saatua tietämystä voidaan laajentaa yksittäisen fotonin tai atomin koko kvanttitilan teleporttauksen mahdollistamiseksi.
Veijo Hänninen
Nanobittejä 12.9.2019
