Teleportacja kwantowa informacji za pomocą elektronów

Podczas gdy teleportacja ludzi istnieje tylko w wyobraźni autorów science fiction, to jest ona możliwa w subatomowym świecie mechaniki kwantowej – aczkolwiek nie w sposób zwykle przedstawiany w filmach. W świecie kwantowym teleportacja dotyczy bowiem przesyłania informacji, a nie materii.

W zeszłym roku naukowcy potwierdzili, że informacje mogą być przekazywane między fotonami wytwarzanymi w chipach komputerowych, nawet jeśli fotony nie są fizycznie połączone.

Teraz, według nowych badań, teleportacja może być również możliwa między elektronami.

W artykule opublikowanym w Nature Communications i opublikowanym w Physical Review X badacze, w tym John Nichol, asystent profesora fizyki w Rochester i Andrew Jordan, profesor fizyki w Rochester, badają nowe sposoby wytwarzania kwantomechanicznych interakcji między odległymi elektronami. Badania są ważnym krokiem w kierunku polepszenia metod obliczeń kwantowych, które z kolei mogą zrewolucjonizować technologię, medycynę i naukę, zapewniając szybsze i wydajniejsze procesory i czujniki.

Teleportacja kwantowa jest demonstracją tego,  Albert Einstein nazwał „upiorną akcją na odległość” – znaną również jako splątanie kwantowe. W splątaniu – jednym z podstawowych pojęć fizyki kwantowej – właściwości jednej cząstki wpływają na właściwości innej, nawet gdy cząstki dzieli duża odległość. Teleportacja kwantowa obejmuje dwie odległe, splątane cząstki, w których stan trzeciej cząstki natychmiast „teleportuje” swój stan do dwóch splątanych cząstek.

Teleportacja kwantowa jest ważnym sposobem przesyłania informacji w obliczeniach kwantowych. Podczas gdy typowy komputer składa się z miliardów tranzystorów, zwanych bitami, komputery kwantowe kodują informacje w bitach kwantowych lub kubitach. Bit ma pojedynczą wartość binarną, która może wynosić „0” lub „1”, ale kubit może być jednocześnie „0” i „1”. Zdolność pojedynczych kubitów do jednoczesnego zajmowania wielu stanów leży u podstaw ogromnej potencjalnej mocy komputerów kwantowych.

Naukowcy niedawno zademonstrowali teleportację kwantową za pomocą fotonów do tworzenia zdalnie splątanych par kubitów.

Kubity wykonane z pojedynczych elektronów są jednak również obiecujące do przesyłania informacji w półprzewodnikach.

„Poszczególne elektrony są obiecującymi kubitami, ponieważ bardzo łatwo ze sobą oddziałują, a poszczególne kubity elektronowe w półprzewodnikach są również skalowalne” – mówi Nichol. „Mozliwość tworzenia splątanych par elektronów, które pozostają splątane na dużych odległościach elektronami jest kluczowe w obliczeniach kwantowych”.

Tworzenie splątanych par odległych elektronów okazuje się jednak trudne: podczas gdy fotony naturalnie rozprzestrzeniają się na duże odległości, elektrony zwykle pozostają w jednym miejscu

Aby zademonstrować teleportację kwantową za pomocą elektronów, naukowcy wykorzystali niedawno opracowaną technikę opartą na zasadach sprzężenia wymiany Heisenberga. Pojedynczy elektron jest jak magnes  z biegunem północnym i biegunem południowym, który może wskazywać w górę lub w dół. Kierunek bieguna w górę, czy w dół – jest znany jako moment magnetyczny elektronu lub spin kwantowy. Jeśli pewne rodzaje cząstek (fermiony) mają ten sam moment magnetyczny, to nie mogą znajdować się w tym samym miejscu w tym samym czasie. Dop takich cząstęk należą m.in. elektrony. Oznacza to, że dwa elektrony w tym samym stanie kwantowym nie mogą siedzieć jeden na drugim. Gdyby do tego doszło, ich stany zmieniałyby się w czasie.

Taką wymianę stanów udało się teleportować a dokładniej udało się splątać dwa elektrony tak, że nawet po ich rozdzieleniu zachowują się jakby były w tym samym miejscu i stanie, który to stan w związku z tym zmieniają. Naukowcy zastosowali tę technikę do dystrybucji splątanych par elektronów i teleportacji ich stanów spinowych.

Wyniki torują drogę do przyszłych badań nad teleportacją kwantową obejmującą stany spinowe całej materii, nie tylko fotonów, i dostarczają więcej dowodów na zaskakująco przydatne możliwości pojedynczych elektronów w półprzewodnikach kubitowych.

Dodaj komentarz