Quantumteleportatie was al een complexe aangelegenheid, maar dankzij een nieuwe mijlpaal is het nog een stap complexer geworden. Natuurkundigen hebben namelijk nog meer informatie tegelijkertijd geteleporteerd dan tot nu toe mogelijk was. Dit maakt de weg vrij voor een wereldwijd quantuminternet dat extreem goed beschermd is tegen hackers.
Dit is geen teleportatie zoals je dat misschien kent van sciencefictionfilms. In plaats van het transporteren van materie door de ruimte, heeft het te maken met het verplaatsen van informatie over de quantumtoestand van een deeltje.
Tot nu toe konden wetenschappers alleen qubits (quantumbits) teleporteren: de simpelste eenheid van quantuminformatie. Een qubit kan in twee toestanden tegelijk zijn. Denk aan een foton dat tegelijkertijd verticaal en horizontaal gepolariseerd is.
Qutrit
Natuurkundigen van de University of Science and Technology in China en de Universität Wien in Oostenrijk hebben nu een ingewikkeldere eenheid van quantuminformatie geteleporteerd: een qutrit. Als je een qubit beschouwt als iets tweedimensionaals, dan is een qutrit driedimensionaal: het net genoemde foton is dan gepolariseerd in drie richtingen die loodrecht op elkaar staan.
‘Hoe meer dimensies je in je quantumsysteem hebt, hoe beter je ervoor kunt zorgen dat je communicatie veilig is en hoe meer informatie je kunt coderen’, zegt Ciarán Lee van University College London. ‘Maar de stap van een qubit naar een qutrit is uitermate ingewikkeld – de trucs die je gebruikt voor qubits, werken vanwege hun fijne symmetrie. Qutrits ontberen die.’
Het teleporteren van een qubit begint met drie deeltjes. Een daarvan is de qubit waarvan je de informatie wilt teleporteren. De andere twee zijn deeltjes die met elkaar zijn verstrengeld. Een meting aan de één heeft daardoor effect op het resultaat van een meting die je aan de ander doet.
Alice en Bob
Beeld je nu twee mensen in: Alice en Bob. Alice heeft de qubit in haar bezit en één van de verstrengelde deeltjes. Bob heeft het andere verstrengelde deeltje. Als Alice de informatie van de qubit wil versturen naar Bob, dan moet ze een speciale meting uitvoeren op zowel de qubit als haar verstrengelde deeltje. Deze meting zorgt ervoor dat de qubit verstrengeld raakt met het andere deeltje, dat al verstrengeld was met dat van Bob.
Al deze verstrengeling zorgt ervoor dat de door Alice uitgevoerde meting het deeltje van Bob in één van vier mogelijke staten dwingt. Met het resultaat van haar meting, die ze op een niet-quantummanier naar Bob kan sturen (bijvoorbeeld met een e-mailtje), kan Bob bepalen hoe de staat van zijn deeltje is gerelateerd aan de originele qubit. De informatie is geteleporteerd.
Getrouwheid
Qutrits zijn ingewikkelder om mee te werken dan qubits, omdat het veel moeilijker is voor Alice om haar meting uit te voeren en haar deeltje te verstrengelen met de qutrit.
De onderzoekers hebben hier wat op gevonden: de introductie van een extra deeltje in het systeem. Alice kan haar meting daardoor over drie deeltjes uitvoeren in plaats van twee. De resultaten van haar meting bevatten dan meer informatie. Die informatie stuurt ze vervolgens naar Bob, waarna hij de qutrit kan reconstrueren.
Met deze methode konden de onderzoekers qutrits 75 procent getrouw teleporteren. Dit betekent dat Bobs uiteindelijk gereconstrueerde qutrit voor 75 procent overeenkomt met de originele qutrit van Alice. Dat lijkt misschien niet bijster veel, maar de hoogst mogelijke getrouwheid zonder gebruik van verstrengeling is 50 procent.
Toekomstig quantuminternet
‘75 procent is waarschijnlijk niet goed genoeg voor nauwkeurige communicatie, maar we staan dan ook pas aan de vooravond van deze technologie’, zegt Lee. De onderzoekers claimen dat deze methode zelfs nog grotere pakketjes informatie met een hogere getrouwheid zou kunnen versturen.
Dit is belangrijk, omdat het onduidelijk is hoe je verstrengeling in stand kunt houden tussen deeltjes die heel ver van elkaar af staan. Informatie versturen met behulp van quantumverstrengeling zou veel veiliger zijn dan de encryptiemethoden die we op dit moment hebben.
Quantumteleportatie van informatie met meer dan twee dimensies, zoals qutrits, zou het mogelijk maken om informatie over grotere afstanden door veilige quantumnetwerken door te geven, zegt Lee. ‘Het kunnen teleporteren van systemen met veel dimensies gaat een van de fundamenten worden waarop een toekomstig quantuminternet zal zijn gebouwd.’
Bron: Physical Review Letters
