211service.com
Et kvantehukommelsesspring
I de senere år har fysikere udtænkt adskillige måder at bruge kvantemekanikkens særheder til at transmittere og behandle information.
Nu har et team af forskere annonceret et vigtigt skridt hen imod at bruge denne kvanteinformation: den spøgelsesagtige overførsel af kvantetilstanden af en enkelt ion til en anden en meter væk. Da ioner kan gemme en kvantetilstand i mange sekunder, kunne denne ordning for kvanteteleportation købe nok tid til manipulationer, der tillader langdistancekommunikation, der er immun over for aflytning, eller til beregninger, der udnytter kvantemekanikken til at udføre lynhurtige beregninger.
For at overføre lidt kvanteinformation fra et system i atomstørrelse til et andet, skal de to systemer starte i den kvantetilstand, der kaldes sammenfiltring. Sammenfiltrede systemer giver altid tilsvarende svar, som to mønter, der, selv om de hver for sig er uforudsigelige, altid kommer op med en hoved og en hale. Fysikere har teleporteret tilstanden mellem sammenfiltrede lysfotoner, men desværre kan de ikke gemme kvanteinformationen ret længe. For nylig har andre forskere teleporteret den meget længere levetid for individuelle ioners kvantetilstand, men kun når de var fanget meget tæt sammen.
For at overføre vedvarende kvanteinformation over længere afstande, Chris Monroe og hans gruppe ved University of Maryland gik sammen med Luming Duan ved University of Michigan for at fange og afkøle to individuelle ytterbium-ioner. Holdet kodede kvanteinformation ved at blande to tilstande, der kun adskiller sig ved kernens vinkelmomentum. I modsætning til 0- eller 1-værdien af en bit i almindelig databehandling kan forskerne skabe en vilkårlig blanding af de to nukleare tilstande, kendt som en qubit, ved at udsætte ionerne for mikrobølger. Når først den er dannet, bevarer en ion denne blanding i flere sekunder - længe nok til at udføre beregninger, der virker på begge værdier samtidigt.
Ved at udvide en teknik, som Monroes hold demonstrerede i 2007, udsatte forskerne begge ioner for en ultrakort lyspuls, hvilket bankede hver til en tilstand med højere energi. Hver ion vendte derefter tilbage til sin oprindelige tilstand ved at udsende en foton. Måling af farven på denne foton ville have efterladt ionen i en af de to nukleare tilstande. Men i stedet testede forskerne bare, om de to fotoner havde forskellige farver. Da de ikke bestemte, hvilken farve der kom fra hvilken ion, efterlod ionerne at se dette resultat i en sammenfiltret tilstand, der omfattede begge muligheder.
Send mig op: Hvert af de to cylindriske kamre (venstre og højre) rummer et enkelt atom. De sorte rør i forgrunden bruges til at afbilde hvert atom. Optiske fibre, der kanaliserer enkelte fotoner fra hvert atom, er modsat rørene i venstre side af billedet, dækket af sort papir. Fotonerne interfererer inde i den store sorte rektangulære boks til venstre.
For at udføre teleportering forberedte forskerne den venstre ion i en vilkårlig kvantetilstand og zappede derefter ionerne gentagne gange med laserimpulser, indtil de så parrene af modsatte farvefotoner, der indvarslede den sammenfiltrede tilstand. De målte hurtigt, hvilken nuklear tilstand den venstre ion var i, og ødelagde i processen sin kvanteblanding. Men sammenfiltringen bevirker, at en nært beslægtet blanding opstår i den højre ion. Forskerne vendte dette tilbage til en teleporteret version af den oprindelige tilstand ved at manipulere den på en af to måder, afhængigt af hvilken tilstand de målte for den venstre ion.
Dette er den første erkendelse af kvanteteleportation mellem to fjerntliggende atomer, bemærker Myungshik Kim fra Queen's University Belfast, i Nordirland, som ikke var involveret i arbejdet. Det er en ret smart teknik.
Et problem er, at det tager næsten 100 millioner laserimpulser - omkring 10 minutter - at få et enkelt sammenfiltret par. For at være nyttig til yderligere eksperimenter skal dette tal forbedres omkring 1.000 gange, hovedsageligt ved at indsamle flere af de udsendte fotoner. Ordningen for teleportering mellem fjerne ioner kunne muliggøre kvanterepeatere, der tillader langdistancetransmission af kvanteinformation, bemærker Monroe. Derudover siger han, at den er velegnet til en mere og mere undersøgt tilgang til kvanteberegning, der starter med et stort antal sammenfiltrede qubits.