211service.com
Een sprong in het kwantumgeheugen
De afgelopen jaren hebben natuurkundigen talloze manieren bedacht om de eigenaardigheden van de kwantummechanica te gebruiken om informatie te verzenden en te verwerken.
Nu heeft een team van onderzoekers een belangrijke stap aangekondigd in de richting van het gebruik van deze kwantuminformatie: de spookachtige overdracht van de kwantumtoestand van een enkel ion naar een ander op een meter afstand. Omdat ionen een kwantumtoestand vele seconden kunnen opslaan, zou dit schema voor kwantumteleportatie voldoende tijd kunnen opleveren voor manipulaties die communicatie over lange afstand mogelijk maken die immuun is voor afluisteren, of voor berekeningen die gebruikmaken van de kwantummechanica om razendsnelle berekeningen uit te voeren.
Om een beetje kwantuminformatie van het ene atomaire systeem naar het andere over te dragen, moeten de twee systemen beginnen in de kwantumconditie die verstrengeling wordt genoemd. Verstrengelde systemen geven altijd overeenkomstige antwoorden, zoals twee munten die, hoewel individueel onvoorspelbaar, altijd met één kop en één staart omhoog komen. Natuurkundigen hebben de toestand tussen verstrengelde lichtfotonen geteleporteerd, maar helaas kunnen ze de kwantuminformatie niet erg lang bewaren. Onlangs hebben andere onderzoekers de veel langer levende kwantumtoestand van individuele ionen geteleporteerd, maar alleen wanneer ze heel dicht bij elkaar waren opgesloten.
Om persistente kwantuminformatie over langere afstanden over te dragen, Chris Monroe en zijn groep aan de Universiteit van Maryland werkten samen met Luming Duan aan de Universiteit van Michigan om twee individuele ytterbium-ionen op te vangen en af te koelen. Het team codeerde kwantuminformatie door twee toestanden te mengen die alleen verschillen door het impulsmoment van de kern. In tegenstelling tot de 0- of 1-waarde van een bit in gewoon computergebruik, kunnen de onderzoekers een willekeurig mengsel van de twee nucleaire toestanden creëren, ook wel een qubit genoemd, door de ionen te onderwerpen aan microgolven. Eenmaal gevormd, houdt een ion dit mengsel enkele seconden vast - lang genoeg om berekeningen uit te voeren die tegelijkertijd op beide waarden werken.
Door een techniek uit te breiden die het team van Monroe in 2007 demonstreerde, stelden de onderzoekers beide ionen bloot aan een ultrakorte lichtpuls, waardoor ze elk in een hogere energietoestand terechtkwamen. Elk ion keerde vervolgens terug naar zijn oorspronkelijke staat door een foton uit te zenden. Het meten van de kleur van dit foton zou het ion in een van de twee nucleaire toestanden hebben achtergelaten. Maar in plaats daarvan hebben de onderzoekers net getest of de twee fotonen verschillende kleuren hadden. Omdat ze niet konden bepalen welke kleur van welk ion kwam, liet het zien van dit resultaat de ionen in een verstrengelde toestand achter die beide mogelijkheden omvatte.
Straal mij omhoog: Elk van de twee cilindrische kamers (links en rechts) bevat een enkel atoom. De zwarte buizen op de voorgrond worden gebruikt om elk atoom in beeld te brengen. Optische vezels die afzonderlijke fotonen van elk atoom kanaliseren, bevinden zich tegenover de buizen, aan de linkerkant van de afbeelding, bedekt met zwart papier. De fotonen interfereren in de grote zwarte rechthoekige doos aan de linkerkant.
Om teleportatie uit te voeren, bereidden de onderzoekers het linkerion in een willekeurige kwantumtoestand voor en zapten ze de ionen vervolgens herhaaldelijk met laserpulsen totdat ze de paren fotonen met tegengestelde kleuren zagen die de verstrengelde toestand aankondigden. Ze maten snel in welke nucleaire toestand het linkerion zich bevond, terwijl ze het kwantummengsel vernietigden. Maar door de verstrengeling ontstaat er een nauw verwant mengsel in het rechter ion. De onderzoekers veranderden dit terug in een geteleporteerde versie van de oorspronkelijke staat door het op twee manieren te manipuleren, afhankelijk van in welke staat ze voor het linker ion hebben gemeten.
Dit is de eerste realisatie van kwantumteleportatie tussen twee verre atomen, merkt op Myungshik Kim van Queen's University Belfast, in Noord-Ierland, die niet bij het werk betrokken was. Het is een vrij slimme techniek.
Een probleem is dat het bijna 100 miljoen laserpulsen kost - ongeveer 10 minuten - om een enkel verstrengeld paar te krijgen. Om bruikbaar te zijn voor verdere experimenten, moet dit aantal ongeveer 1000-voudig worden verbeterd, voornamelijk door meer van de uitgezonden fotonen te verzamelen. Het schema voor teleportatie tussen verre ionen zou kwantumrepeaters mogelijk maken die langeafstandstransmissie van kwantuminformatie mogelijk maken, merkt Monroe op. Bovendien zegt hij dat het goed geschikt is voor een steeds meer bestudeerde benadering van kwantumberekening die begint met een groot aantal verstrengelde qubits.