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Quantenzustände zwischen Silizium-Chips teleportiert © Pete Linforth/Pixabay
Quantenzustände zwischen Silizium-Chips teleportiert © Pete Linforth/Pixabay

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Quantenzustände zwischen Silizium-Chips teleportiert

23.12.2019

Ein internationales Team mit Beteiligung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften hat einen Weg gefunden, ein verschränktes Quantensystem aus Photonen in zwei separaten Silizium-Chips zu realisieren. Das berichten die Forscher aktuell im Fachjournal "Nature Physics".

Quanteninformation kann nicht kopiert werden, besagt ein Axiom der Quantenmechanik. Das ist in der Praxis etwa dann problematisch, wenn man über große Distanzen kommunizieren möchte. Um zu verhindern, dass ein Signal auf dem Weg verloren geht, muss man es nämlich regelmäßig auffrischen, was zum Beispiel durch Kopieren des Quantenzustandes möglich wäre.

Ein Weg um das "Kopierverbot" zu umgehen ist die sogenannte Quantenteleportation. Diese wurde nun zum ersten Mal über zwei separate Silizium-Chips von Forschern der Universität Bristol (Großbritannien) mittels verschränkter Photonen demonstriert. An der Analyse des verschränkten Quantensystems waren auch Physiker vom Wiener Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) beteiligt.

Quantentrick

Als Träger der Quanteninformation, also der Qbits, fungierten im Experiment Photonen, die in die Silizium-Chips eingespeist werden. Durch die Verschränkung ist es möglich, den Zustand der Qbits von Chip A in Chip B nachzubauen. Der Trick daran ist, dass der Zustand nicht direkt übertragen wird. Stattdessen wird der Zustand des Systems auf Chip A durch eine Messung zerstört. Aufgrund der Verschränkung kann durch eine Messung auf Chip B eine Operation gefunden werden, nach deren Anwendung der gewünschte Zustand von Chip A reproduziert werden kann.

"Ein Quanten-Repeater ist wohl die wichtigste praktische Anwendung dieser Technik. Derzeit ist das ein Proof-of-Concept. Wenn es gelingt, die Technik zu verbessern und zu skalieren, könnte das eine Grundlage für ein künftiges Quanteninternet sein", sagt ÖAW-Quantenphysiker Marcus Huber, der am Forschungsprojekt beteiligt war.

Silizium und Glasfasern

Die Hardware, die von den Forschern genutzt wird, ist kompatibel mit gängigen Chipherstellungsmethoden. "Jeder kann einen solchen Chip in einem geeigneten Reinraum bauen. Solche optoelektronischen Systeme werden in der Forschung schon länger genutzt", erklärt Huber. Das System, das die Forscher gebaut haben, ist auch kompatibel mit moderner Telekommunikationsinfrastruktur. Die Photonen, die zur Signalübertragung genutzt werden, können über herkömmliche Glasfaserkabel transportiert werden.

Die Chips für das Experiment wurden vom Forschungsteam der Universität Bristol hergestellt. Beteiligt waren zudem die Technische Universität Dänemark, die Universität Peking und die ÖAW-Physiker in Wien. "Die Kollegen sind an uns herangetreten und haben uns gebeten, die theoretische Analyse der Daten zu übernehmen. Wir haben dann bestätigt, dass tatsächlich mehrere Photonen verschränkt wurden und ein Quantenzustand zwischen den Chips teleportiert wurde", sagt Huber, der auch Ko-Autor der nun in der Fachzeitschrift "Nature Physics" veröffentlichten Ergebnisse des Experiments ist.

Publikation:

"Chip-to-chip quantum teleportation and multi-photon entanglement in silicon", Daniel Llewellyn, Yunhong Ding, Imad I. Faruque, Stefano Paesani, Davide Bacco, Raffaele Santagati, Yan-Jun Qian, Yan Li, Yun-Feng Xiao, Marcus Huber, Mehul Malik, Gary F. Sinclair, Xiaoqi Zhou, Karsten Rottwitt, Jeremy L. O'Brien, John G. Rarity, Qihuang Gong, Leif K. Oxenlowe, Jianwei Wang and Mark G. Thompson, Nature Physics 2019

DOI: 10.1038/s41567-019-0727-x

Rückfragehinweis:
Sven Hartwig
Leiter Öffentlichkeit & Kommunikation
Österreichische Akademie der Wissenschaften
Dr. Ignaz Seipel-Platz 2, 1010 Wien
T +43 1 51581-1331
sven.hartwig@oeaw.ac.at
Wissenschaftlicher Kontakt:
Marcus Huber
Institut für Quantenoptik und Quanteninformation Wien
Österreichische Akademie der Wissenschaften
Boltzmanngasse 3, 1090 Wien
M +43 664 88476557
marcus.huber@oeaw.ac.at
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