Qutrit statt Qubit: Physikern ist erstmals die Teleportation von dreidimensionalen Quantenzuständen gelungen. Dabei übertrugen verschränkte Photonen die Information zu gleich drei überlagerten Zuständen – ein Novum. Statt nur 0 und 1 wie bei klassischen Quantenbits transportieren die „Qutrits“ die Zustände 0, 1 und 2. Diese höherdimensionale Teleportation könnte künftige Quantennetzwerke und Quantencomputer leistungsfähiger machen.
Noch sind wir vom „Beamen“ der Science-Fiction weit entfernt, doch im Reich der Quanten ist eine Teleportation bereits möglich. Das Phänomen der Verschränkung bewirkt, dass jede Zustandsänderung eines Teilchens die gleiche Veränderung bei dem mit ihm verschränkten Partner bewirkt – instantan und unabhängig von der Entfernung. Forscher haben eine solche Quantenteleportation schon in Glasfaser-Netzwerken und auf 100 Kilometern Länge umgesetzt.
Bisher ging nur 0 oder 1
Doch eine Beschränkung gab es bisher: „Alle Teleportations-Experimente waren auf einen zweidimensionalen Ausschnitt der vielen Zustände solcher Quantensysteme begrenzt“, erklären Yi-Han Luo von der Universität für Wissenschaft und Technologie im chinesischen Hefei und seine Kollegen. Übertragen wurden damit nur die 0 oder 1 eines Quantenbits – obwohl die Quantenphysik die Überlagerung von weit mehr als nur zwei Zuständen erlaubt.
Dass eine mehrdimensionale Quantenteleportation theoretisch machbar ist, war schon seit den 1990-er Jahren bekannt. „Die tatsächliche Realisierung im Labor und die dazu benötigte Technologie mussten wir aber erst entwickeln“, erklärt Koautor Manuel Erhard vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation in Wien. Dadurch ist es den Forschern nun erstmals gelungen, diese Beschränkung aufzuheben.
Drei mögliche Positionen überlagert
In ihrem Experiment erzeugten die Physiker Paare verschränkter Photonen – ein Photon befand sich dabei beim Sender (Alice) und eines beim Empfänger (Bob). Dann kam ein Hilfsphoton ins Spiel, in dem drei räumliche Positionen überlagert waren. Dieses Photon konnte über drei Glasfasern ans Ziel gelangen. Durch die Überlagerung aber befand es sich bis zur Messung theoretisch in allen gleichzeitig.
Dieses Hilfsphoton übertrug die Information dieser Überlagerung auf das erste der beiden verschränkten Photonen. Dadurch übernahm automatisch auch sein bei Bob befindliches Partnerphoton diese Überlagerungs-Information. Diese Photonenpaare „teleportierten“ damit nicht nur Informationen zu zwei möglichen Zuständen wie bei Quantenbits sonst üblich, sondern waren „Qutrits“ mit drei überlagerten Quantenzuständen.
Mehr Möglichkeiten für die Quantentechnologie
Erstmals habe man damit die Teleportation von Qutrits demonstriert, konstatieren die Forscher. Die Übertragung solcher Drei-Ebenen-Zustände eröffne nun die Möglichkeit, auch komplexe, höherdimensionale Quantenzustände zu teleportieren. Für Quantennetzwerke oder Quantencomputer bedeutet dies, dass künftig statt Qubits auch Qutrits oder sogar noch höherdimensionale Zustandsinformationen genutzt und übertragen werden können.
„Dieses Ergebnis könnte hilfreich sein, mehrere Quantencomputer gleichzeitig miteinander zu verbinden und zwar mit höheren Informationskapazitäten als mit Qubits prinzipiell möglich“, sagt Koautor Anton Zeilinger von der Universität Wien. Denn wenn ein Teilchen statt nur 0 und 1 noch mehr Zustände haben kann, dann steigt auch die Menge der pro Teleportation übertragbaren Informationen. (Physical Review Letters, 2019; doi: 10.1103/PhysRevLett.123.070505)
Quelle: American Physical Society (APS), Österreichische Akademie der Wissenschaften
