211service.com
Ett kvantminnessprång
Under de senaste åren har fysiker hittat på många sätt att använda kvantmekanikens konstigheter för att överföra och bearbeta information.
Nu har ett team av forskare meddelat ett viktigt steg mot att använda denna kvantinformation: den spöklika överföringen av kvanttillståndet för en enstaka jon till en annan en meter bort. Eftersom joner kan lagra ett kvanttillstånd i många sekunder, kan detta schema för kvantteleportering köpa tillräckligt med tid för manipulationer som tillåter långdistanskommunikation som är immun mot avlyssning, eller för beräkningar som utnyttjar kvantmekaniken för att utföra blixtrande snabba beräkningar.
För att överföra lite kvantinformation från ett system i atomstorlek till ett annat, måste de två systemen börja i det kvanttillstånd som kallas intrassling. Intrasslade system ger alltid motsvarande svar, som två mynt som, även om de är individuellt oförutsägbara, alltid kommer upp med ett huvud och en svans. Fysiker har teleporterat tillståndet mellan intrasslade ljusfotoner, men tyvärr kan de inte lagra kvantinformationen särskilt länge. Nyligen har andra forskare teleporterat det mycket längre livslängda kvanttillståndet hos enskilda joner, men bara när de var fångade väldigt nära varandra.
För att överföra beständig kvantinformation över längre avstånd, Chris Monroe och hans grupp vid University of Maryland samarbetade med Luming Duan vid University of Michigan för att fånga och kyla två individuella ytterbiumjoner. Teamet kodade kvantinformation genom att blanda två tillstånd som endast skiljer sig åt genom kärnans rörelsemängd. Till skillnad från värdet 0 eller 1 för en bit i vanlig datoranvändning kan forskarna skapa en godtycklig blandning av de två kärntillstånden, känd som en qubit, genom att utsätta jonerna för mikrovågor. När den väl har bildats, behåller en jon denna blandning i flera sekunder - tillräckligt länge för att utföra beräkningar som verkar på båda värdena samtidigt.
Genom att utöka en teknik som Monroes team demonstrerade 2007, exponerade forskarna båda jonerna för en ultrakort ljuspuls, vilket knackade var och en till ett högre energitillstånd. Varje jon återgick sedan till sitt ursprungliga tillstånd genom att sända ut en foton. Att mäta färgen på denna foton skulle ha lämnat jonen i ett av de två kärntillstånden. Men istället testade forskarna bara om de två fotonerna hade olika färg. Eftersom de inte bestämde vilken färg som kom från vilken jon, såg det här resultatet att jonerna var i ett intrasslat tillstånd som inkluderade båda möjligheterna.
Stråla upp mig: Var och en av de två cylindriska kamrarna (vänster och höger) rymmer en enda atom. De svarta rören i förgrunden används för att avbilda varje atom. Optiska fibrer som kanaliserar enstaka fotoner från varje atom ligger mittemot rören, på bildens vänstra sida, täckta med svart papper. Fotonerna stör inuti den stora svarta rektangulära rutan till vänster.
För att utföra teleportering förberedde forskarna den vänstra jonen i ett godtyckligt kvanttillstånd och sedan upprepade gånger zappade jonerna med laserpulser tills de såg paren av motsatta färgfotoner som förebådade det intrasslade tillståndet. De mätte snabbt vilket kärntillstånd den vänstra jonen befann sig i och förstörde i processen dess kvantblandning. Men förvecklingen gör att en närbesläktad blandning dyker upp i den högra jonen. Forskarna gjorde tillbaka detta till en teleporterad version av det ursprungliga tillståndet genom att manipulera det på ett av två sätt, beroende på vilket tillstånd de mätte för den vänstra jonen.
Detta är den första realiseringen av kvantteleportation mellan två avlägsna atomer, observerar Myungshik Kim från Queen's University Belfast, i Nordirland, som inte var involverad i arbetet. Det är en ganska smart teknik.
Ett problem är att det tar nästan 100 miljoner laserpulser – cirka 10 minuter – för att få ett enda intrasslat par. För att vara användbart för ytterligare experiment måste detta antal förbättras cirka 1 000 gånger, främst genom att samla in fler av de emitterade fotonerna. Systemet för teleportering mellan avlägsna joner skulle kunna möjliggöra kvantrepeaters som tillåter långdistansöverföring av kvantinformation, noterar Monroe. Dessutom säger han att den lämpar sig väl för ett alltmer studerat tillvägagångssätt för kvantberäkning som börjar med ett stort antal entangled qubits.