Tutkijat onnistuivat luomaan fotoneilla lähes täydellisen teleportaation huolimatta kohinasta, joka perinteisesti häiritsee kvanttitilan siirtoa.
Teleportaatiossa kvanttihiukkasen, eli kubitin, tila siirretään paikasta toiseen ilman että itse hiukkanen siirtyy. Tämä tilan siirtäminen edellyttää kvanttiresursseja, eli ylimääräistä kubittiparia, jonka hiukkaset ovat lomittuneet. Teoriassa teleportaatio tai tilan siirtäminen voi tapahtua täydellisellä tarkkuudella. Mutta reaalimaailman kvanttisysteemit ovat kuitenkin alttiita kohinalle ja häiriöille, mikä on rajoittanut teleportaation laatua.
Turun yliopiston sekä University of Science and Technology of China (USTC) -yliopiston tutkijat ovat nyt esittäneet teorian ja toteuttaneet kokeen, jolla he onnistuivat ratkaisemaan häiriöiden ongelman kvanttisysteemissä. Toisin sanoen, tutkijat löysivät keinon toteuttaa korkealaatuinen teleportaatio ympäristön häiriöistä huolimatta.
– Oivalluksemme perustuu siihen, että ennen kubittien tilan siirtämistä paikasta toiseen hiukkasten välinen lomittuminen jaetaan laajemmin kuin pelkästään kahden kubitin välille. Teleportaatiossa voidaan siis käyttää hyväksi niin sanottua hybridilomittumista, sanoo professori Jyrki Piilo Turun yliopistosta.
Perinteisesti teleportaatiossa kubittien lomittumiseen on käytetty fotonien polarisaatiota. Nyt toteutetussa tutkimuksessa tutkijat hyödynsivät hybridilomittumista fotonien polarisaation ja taajuuden välillä.
– Tämä havainto muuttaa huomattavasti sitä, miten kohina tai häiriöt vaikuttavat teleportaation suorittamiseen, ja itse asiassa löytömme on muuttanut häiriöt haitallisesta hyödylliseksi teleportaatiossa, Piilo sanoo.
Perinteisessä kvanttibittien lomittumisessa teleportaatio ei onnistu häiriöiden läsnä ollessa. Toisaalta teleportaatio ei onnistu myöskään silloin, jos hybridilomittumisen yhteydessä häiriöt puuttuvat.
– Kokeissamme havaitsimme, että kun hybridilomittumisen yhteydessä lisäämme kohinaa, teleportaatio ja kvanttitilan siirto tapahtuu lähes täydellisesti, sanoo tohtori Olli Siltanen, joka on julkaissut tutkimuksen teoreettiset tulokset osana väitöskirjaansa.
Tutkijoiden havainto tekee mahdolliseksi lähes täydellisen teleportaation fotoneilla, huolimatta kohinan tai häiriöiden läsnäolosta.
– Vaikka olemme tehneet laboratoriossamme aikaisemmin useita kokeita käyttäen fotoneita ja liittyen erilaisiin kvanttifysiikan piirteisiin, oli hyvin jännittävää ja palkitsevaa nähdä tämän haastavan teleportaatiokokeen onnistuminen, sanoo tohtori Zhao-Di Liu USTC-yliopistosta.
– Tämä on hyvin merkittävä ja perustavaa laatua oleva koe liittyen yhteen tärkeimmistä kvanttiprotokollista, sanoo professori Chuan-Feng Li USTC-yliopistosta.
Teleportaatiolla on tärkeitä sovelluksia esimerkiksi kvantti-informaation siirrossa ja muissa sovelluksissa. Nyt julkaistun tutkimuksen tulokset ovat perustutkimusta, joilla on tutkijoiden mukaan perustavaa laatua oleva merkitys tulevien sovellusten kehittämiselle. Tulokset avaavat kiinnostavia aiheita jatkotutkimuksille, joissa voidaan tarkastella muita häiriötekijöitä tai kvanttiprotokollia.
Tulokset on julkaistu Science Advances -lehdessä.
Lisätietoja:
Jyrki Piilo, +358 50 350 3996, jyrki.piilo@utu.fi
Kuva: Mikael Nyberg
