Quantenteleportation einer vollständigen logischen Operation, die von Physikern durchgeführt wurde

Forscher haben die Quantenteleportation erfolgreich eingesetzt, um eine vollständige Quantenlogikoperation von einem Ion auf ein anderes zu übertragen - ein bedeutender Schritt zur Entwicklung eines Quantencomputers im großen Maßstab.

Physiker am Nationalen Institut für Normung und Technologie (NIST) haben erfolgreich eine Computerschaltung teleportiert, die als Quantenlogikoperation zwischen zwei getrennten Ionen - elektrisch geladenen Atomen - bekannt ist. Der Test zeigt, wie Quantencomputerprogramme Aufgaben in zukünftigen großen Quantennetzen ausführen können.

Infografik erklärt, wie Gate-Teleportation funktioniert. (NIST)

Quantenteleportation bezieht sich auf die Übertragung von Daten von einem Quantensystem - in diesem Fall einem Ion - zu einem anderen. Dies kann auch dann durchgeführt werden, wenn die beiden Systeme vollständig voneinander isoliert sind, wie zwei Bücher in den Kellern von separaten Gebäuden.

Der Unterschied zwischen dieser realen Form der Teleportation und etwas, das in Star Trek oder anderem Science-Fiction zu sehen wäre, besteht darin, dass bei der Quantenteleportation nur Informationen transportiert werden, keine Materie. Also kein strahlen um zu arbeiten um den morgendlichen Ansturm zu besiegen, leider.

Dies ist nicht das erste Mal, dass eine Quantenteleportation mit Ionen und einer Vielzahl anderer Quantensysteme demonstriert wurde, aber es ist das erste Mal, dass eine vollständige Quantenlogikoperation mit Ionen teleportiert wird. Dies ist besonders wichtig, da Ionen ein führender Kandidat für die Architektur zukünftiger Quantencomputer sind.

Die Experimente sind in der Science-Ausgabe vom 31. Mai beschrieben.

Der NIST-Physiker Dietrich Leibfried erklärt: „Wir haben bestätigt, dass unsere logische Verknüpfung für alle Eingangszustände von zwei Quantenbits mit einer Wahrscheinlichkeit von 85 bis 87% funktioniert - alles andere als perfekt, aber es ist ein Anfang.“

Wenn ein vollwertiger Quantencomputer gebaut werden kann, könnten bestimmte Probleme gelöst werden, die derzeit nicht zu lösen sind. Um auf dieses Ziel hinzuarbeiten, hat das NIST zu weltweiten Forschungsbemühungen beigetragen, um das Quantenverhalten für praktische Technologien nutzbar zu machen.

Quantencomputer werden wahrscheinlich Millionen von Quantenbits oder "Qubits" benötigen, um wie von Forschern erhofft funktionieren zu können. Sie werden auch Möglichkeiten benötigen, um Operationen zwischen Qubits durchzuführen, die über große Maschinen und Netzwerke verteilt sind. Das Teleportieren von Logikoperationen ist eine Möglichkeit, ohne direkte quantenmechanische Verbindungen. Darüber hinaus werden weiterhin physische Verbindungen für den Austausch klassischer Informationen benötigt.

Wie funktioniert die Quantenteleportation?

Das NIST-Team teleportierte eine quantengesteuerte NOT-Verknüpfung (CNOT) - Logikgatter - zwischen zwei Beryllium-Ionen-Qubits, die mehr als 340 Mikrometer (Millionstel Meter) voneinander entfernt in getrennten Zonen einer Ionenfalle angeordnet waren. Dies ist eine Distanz, die jede wesentliche direkte Wechselwirkung für Quantensysteme ausschließt.

Eine CNOT-Operation kippt das zweite Qubit von 0 auf 1 oder umgekehrt, aber nur, wenn das erste Qubit 1 ist - nichts passiert, wenn das erste Qubit 0 ist. In typischer Quantenweise können beide Qubits in "Überlagerungen" sein, in denen sie sich befinden Werte von 1 und 0 gleichzeitig haben.

Der NIST-Teleportationsprozess beruht auf einer Verschränkung, die die Quanteneigenschaften von zwei oder mehr verschränkten Teilchen verbindet, selbst wenn diese durch große Entfernungen voneinander getrennt sind.

Ein "Boten" -Paar verwickelter Magnesiumionen wird verwendet, um Informationen zwischen den Berylliumionen zu übertragen.

Das NIST-Team stellte fest, dass sein teleportierter CNOT-Prozess die beiden Magnesiumionen mit einer Erfolgsrate von 95% verwickelte - ein wichtiger erster Schritt -, während die vollständige Logikoperation in 85% bis 87% der Fälle erfolgreich war.

Leibfried fährt fort: „Mit der Gate-Teleportation können wir ein Quantenlogik-Gate zwischen zwei räumlich getrennten Ionen durchführen, die möglicherweise noch nie zuvor in Wechselwirkung getreten sind.

"Der Trick ist, dass sie jeweils ein Ion eines anderen verschränkten Paares an ihrer Seite haben, und diese Verschränkungsressource, die vor dem Tor verteilt ist, ermöglicht es uns, einen Quantentrick durchzuführen, der kein klassisches Gegenstück hat."

Der Wissenschaftler fügt hinzu, dass die verschränkten Messenger-Paare in einem speziellen Teil des Computers hergestellt und separat an Qubits geliefert werden könnten, die mit einem Logikgatter verbunden werden müssen, sich aber an entfernten Orten befinden.

Die NIST-Arbeit integrierte auch mehrere Operationen in ein einziges Experiment, die für den Bau von auf Ionen basierenden Quantencomputern im großen Maßstab unerlässlich sind. Dies beinhaltet die Steuerung verschiedener Arten von Ionen, den Ionentransport und Verwicklungsoperationen an ausgewählten Teilmengen des Systems. Es ist wieder einmal das erste Mal, dass ein Forscherteam eine solche Leistung vollbringt.

Um zu überprüfen, ob sie ein CNOT-Gate durchgeführt haben, haben die Forscher das erste Qubit in 16 verschiedenen Kombinationen von Eingangszuständen vorbereitet und anschließend die Ausgänge des zweiten Qubits gemessen. Dies ergab eine verallgemeinerte Quanten- "Wahrheitstabelle", die den durchgeführten Prozess zeigte.

Zusätzlich zur Erstellung einer Wahrheitstabelle überprüften die Forscher die Konsistenz der Daten über längere Laufzeiten, um Fehlerquellen im Versuchsaufbau zu identifizieren.

Es wird erwartet, dass diese Technik ein wichtiges Werkzeug für die Charakterisierung von Quanteninformationsprozessen in zukünftigen Experimenten darstellt und einen weiteren Schritt in Richtung eines erfolgreichen Quantencomputers darstellt.

Originalforschung: Y. Wan, D. Kienzler, S. Erickson, K.H. Mayer, T.R. Tan, J. Wu, H.M. Vasconcelos, S. Glancy, E. Knill, D.J. Wineland, A. C. Wilson und D. Leibfried. 2019. Quantentor-Teleportation zwischen getrennten Zonen eines Trapped-Ion-Prozessors. Wissenschaft. 31. Mai