Pålitelig kvanteteleportering

Nå kan teleportering av kvantedata gjøres mer presist og stabilt enn før, viser to nye eksperimenter.

Publisert
 (Foto: (Illustrasjon: Per Byhring))
(Foto: (Illustrasjon: Per Byhring))

Slik fungerer kvanteteleportering:

Tradisjonell kvanteteleportering fungerer slik:

Anne ønsker å sende informasjonen om en partikkels egenskaper til Bårds partikkel. Hun kan ikke måle partikkelen fordi kvantefysikkens lover da fører til at informasjonen hun ønsker å sende går tapt.

I stedet sammenfiltrer Anne og Bård to partikler – vi kaller dem a og b. Bård kan da stikke av med den ene halvdelen av partikkelparet, og uansett hvor langt han drar bort, vil endringer utført på partikkel a føre til de samme endringene hos partikkel b.

Så Bård stikker avgårde med sin partikkel og venter i spenning. Anne finner så frem partikkelen hun har lyst til å sende til Bård – partikkel I. Ved å utføre en felles måling på partikkel a og I finner hun ut av hvordan disse står i forhold til hverandre.

I målingsprosessen forstyrrer Anne partikkelens egenskaper, men informasjonen hun får ut gir Bård muligheten til å manipulere sin partikkel b. Siden denne partikkelen er sammenfiltret med partikkel a vil den ha det samme forholdet til I.

Bård kan derfor bruke informasjonen fra Annes måling som hun sender til ham via et klassisk medium, eksempelvis mail, og manipulere sin partikkel som også på grunn av sammenfiltringen er forstyrret, bare denne gangen får partikkelen samme egenskaper som partikkel I.

Den såkalte kvanteteleporteringen er fullbyrdet.

Kvanteteleportering har de siste årene vært ett av flere fascinerende fremskritt som har blitt gjort innenfor kvantefysikken og i to nye studier beskrives ytterligere forbedringer.

Fremskrittene betyr, om ikke slutten på langdryg pendling og slitsomme charterfly, at et viktig hinder for å innlemme metoden i fremtidig teknologi har blitt meislet ned.

Kvanteteleportering er ikke noe nytt. Allerede for drøye 10 år siden kunne vi lese om hvordan forskerne teleporterte partiklers egenskaper over lange avstander. Det de glemte å fortelle da, var at prosessene som lå bak teleporteringen var svært ineffektive.

Dette har vært et stort problem for kvanteteleporteringens fremtid i kvantedatamaskiner.

– I en kvantedatamaskin holder det ikke at det funker en gang innimellom. Det må funke om og om igjen. Det er en forskjell på å si «ja man kan i prinsippet», og faktisk gjennomføre det teknisk, forteller partikkelfysiker Bjørn Hallvard Samset ved CICERO.

Flere nyvinninger

De to nye artiklene har brukt to vidt forskjellige metoder for å løse problemet med ineffektiviteten, og begge har kommet frem til resultater som gir en pålitelighet som er langt høyere enn det dagens metoder klarer.

– Det her er kule fremskritt, sier Samset.

– Studiene tar ting et godt steg videre. De viser at ting som man tidligere bare har ment at man kan gjennomføre i prinsipp, nå er gjennomførbart rent teknisk.

Bjørn Samset (Foto: Universitetet i Oslo)
Bjørn Samset (Foto: Universitetet i Oslo)

Den ene av studiene, fra en forskergruppe i Sveits, inneholder også en helt annen nyvinning. Den bruker nemlig en elektrisk krets for å overføre informasjonen.

Det er første gang forskere har lykkes  å teleportere informasjon i et lukket system. Men til forskjell fra dagens databrikker er denne superledende kretsen så liten at den kan styres av kvantefysiske lover.

De sveitsiske forskerne har i studien klart å teleportere informasjon over en avstand på seks millimeter, fra det ene hjørnet av brikken til det andre, uten å overføre den fysiske bæreren av informasjonen. Dette går an takket være de kvantefysiske lovene, spesielt konseptet sammenfiltring.

Sammenfiltring er kort fortalt å knytte to partikler sammen i en spesiell prosess. Partiklene vil da inneha en spesiell kontakt som gjør at man kan dra langt avgårde med én halvdel av partikkelparet og likevel oppleve at makkerne reagerer i henhold til hverandre hvis én av dem blir utsatt for endringer.

I dette tilfellet betyr det at forskerne la inn et stykke informasjon ved senderdelen av brikken. Da denne delen er sammenfiltret med mottakerdelen, vil informasjonen også kunne leses av her.

Slår sammen flere metoder

Og den nye metoden er ikke bare mer pålitelig enn tradisjonell kvanteteleportering, den er også langt raskere. I det nye systemet kan omtrent 10 000 enheter kvanteinformasjon teleporteres hvert sekund.

En avstand på 6 millimeter virker kanskje ikke så utrolig, spesielt med tanke på at tidligere forsøk har lyktes å sammenfiltre kvantepartikler over 143 kilometer, men det sveitsiske forsøket er fundamentalt forskjellig fra disse forsøkene da den bruker en superledende krets fremfor synlig lys. Studien er dermed meget relevant for utviklingen av fremtidige kvantekomputere.

 (Foto: (Illustrasjon: NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet))
(Foto: (Illustrasjon: NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet))

I det andre eksperimentet brukes fotoner, eller lyspartikler. Forskerne bak denne studien har brukt allerede utviklede metoder på en ny måte.

– Det begge studiene har gjort for å forbedre påliteligheten er å slå sammen flere metoder. Det har vært en enorm forskning og interesse på dette feltet, så forskjellige forskningsprosjekter har kommet opp med flere forskjellige metoder, og disse nye studiene har satt sammen flere av disse vinklingene.

Viktige fremskritt

Men å bruke akkurat ordet teleportering kan være misvisende da det først og fremst er informasjonen som sendes, og ikke en fysisk enhet.

– For begge disse studiene handler det egentlig om å flytte qubits i en kvantedatamaskin, forklarer Samset.

En qubit er kvantefysikkens svar på en enhet med informasjon. Til forskjell fra dagens bits i elektronikk inneholder det ikke enten variabelen 1 eller 0, men kan inneha begge samtidig.

Dette åpner for datamaskiner som kan utføre enkelte utregninger med enorme hastigheter og fenomenet høster enorm oppmerksomhet både i mediene og i forskerverdenen. Med stadige rapporter om at kvantedatamaskinene er nok ett skritt nærmere realisering, er det lett og miste oversikten.

Så hva er egentlig status for supermaskinene?

– Det er langt unna. I dag kan man lage små maskiner som isolert sett gjør én av tingene som en kvantemaskin bør kunne klare. Men vi er langt unna det mannen og kvinnen i gata anser som en datamaskin og som kan brukes kommersielt og industrielt, forteller Samset.

Men det betyr ikke at alle fremskrittene som lanseres er uvesentlige. På veien mot kvantedatamaskiner er det flere prinsipielle hindre som må overvinnes, og problemstillinger som pålitelig kvanteteleportering er nødt til å løses, åkke som.

– Flere og flere prinsipielle hindere faller og dette er ett av dem, forklarer Samset.

– Det er ett av mange nødvendige skritt. Det er prinsipielt viktig å gå fra konsept til teknisk løsning. Og begge disse studiene viser at det som mangler ikke er fundamentale hindringer, ettersom man utvikler metoden kan manglene forbedres.

– Det er ikke dette som gir nobelprisen i år. Men det er fortsatt viktig, og gir litt mer tro på at kvantedatamaskiner faktisk er mulig, avslutter han.

Kilder:

S. Takeda et al. Deterministic quantum teleportation of photonic quantum bits by a hybrid technique. Nature 500, 315–318 (15 August 2013) doi:10.1038/nature12366

L. Steffen et al. Deterministic quantum teleportation with feed-forward in a solid state system. Nature 500, 319–322 (15 August 2013) doi:10.1038/nature12422