Qutrit statt Qubit

Was bislang nur eine theoretische Möglichkeit war, haben Forscher der Öster­reichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) und der Universität Wien nun erstmals experimentell durchgeführt: Gemeinsam mit Quanten­physikern der University of Science and Technology of China gelang ihnen die Tele­portation komplexer hoch­dimensionaler Quantenzustände. Für ihre Studie teleportierten die Forscher einen Quantenzustand von einem Photon zu einem anderen. In bisherigen Experimenten wurden nur Zwei-Ebenen-Zustände („Qubits“) übertragen. Den Wissen­schaftlern gelang nun aber das gleich mit einem Drei-Ebenen-Zustand („Qutrit“). Anders als in der Computer­technik ist „0“ und „1“ aber keine Frage von entweder-oder, denn laut den Gesetzen der Quantenphysik ist theoretisch auch beides gleichzeitig oder auch alles dazwischen möglich – nun eben auch mit einer dritten Möglichkeit „2“, wie das öster­reichisch-chinesische Team in der Praxis zeigen konnte.

Dass die mehr­dimensionale Quanten­teleportation theoretisch machbar ist, war zwar schon seit den 1990er Jahren bekannt. „Die tatsächliche Realisierung im Labor und die dazu benötigte Tech­nologie mussten wir aber erst entwickeln“, berichtet Manuel Erhard vom Wiener Institut für Quantenoptik und Quanten­information der ÖAW. Beim übertragenen Quanten­zustand handelt es sich um die Information, in welcher von drei möglichen Glasfasern sich ein Photon befindet. Dabei kann sich dieses Photon auch auf allen drei Glasfasern gleichzeitig befinden. Um diese Quanten­information oder diesen Quantenzustand zu tele­portieren, verwendeten die Forscher eine neue experi­mentelle Anordnung.

Das Herzstück der Quanten­teleportation bildet die Bell-Messung. Sie basiert einerseits auf einem Mehrfach-Strahlteiler, der Photonen durch mehrere Ein- und Ausgänge leitet und alle Glasfasern miteinander verbindet. Zusätzlich kommen nun auch Hilfs­photonen zum Einsatz, die ebenfalls in den Mehrfach-Strahlteiler gesendet werden und mit den anderen Photonen interferieren können. Durch die geschickte Auswahl bestimmter Interferenz­muster, kann nun die Quanteninformation dort, wo sich das Eingangs­photon befunden hat, auf ein anderes weit entferntes Photon übertragen werden. Und das, obwohl die Photonen zu keinem Zeitpunkt physisch miteinander in Kontakt standen. Der nun erfolgreich getestete Aufbau ist übrigens nicht auf drei Dimensionen beschränkt, sondern prinzipiell auf beliebig viele Dimensionen erweiterbar, wie Erhard betont.

Damit ist dem Forschungs­team auch ein wichtiger Schritt hin zu praktischen Anwendungen wie einem Quanten­internet gelungen, schließlich können höher­dimensionale Quantensysteme deutlich größere Informations­mengen trans­portieren. „Dieses Ergebnis könnte hilfreich sein, mehrere Quantencomputer gleichzeitig miteinander zu verbinden, und zwar mit höheren Informations­kapazitäten als mit Qubits prinzipiell möglich“, beschreibt Anton Zeilinger, Quantenphysiker an der ÖAW und der Universität Wien, das innovative Potenzial der neuen Methode.

Auch die beteiligten chinesischen Forscher sehen große Chancen in der mehr­dimensionalen Quanten­teleportation. „Den Grundstein für die nächste Generation von Quanten­kryptographie-Systemen legt unsere heutige Grundlagenforschung“, sagt Jian-Wei Pan, der an der University of Science and Tech­nology of China forscht. Die nächsten Forschungen der Quanten­physiker werden sich nun mit der Frage befassen, wie man die neugewonnenen Erkennt­nisse erweitern kann, um den gesamten Quantenzustand eines einzelnen Photons oder Atoms zu teleportieren.

ÖAW / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  Y.-H. Luo et al.: Quantum Teleportation in High Dimensions, Phys. Rev. Lett. 123, 070505 (2019); DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.070505
• Institut für Quantenoptik und Quanteninformation, Österreichische Akademie der Wissenschaften,
  Wien