Teleportation auf Elektronen-Ebene nachgewiesen

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Teleportation von Materie ist noch reines Science-Fiction-Material, doch auf Teilchenebene ist Teleportation essentieller Bestandteil des Quantencomputings. Nun haben Forscher einen Weg zur Teleportation und quantenmechanischen Verschränkung von Elektronen gefunden, der effizientere Quantenprozessoren ermöglichen soll.

Während menschliche Teleportation a lá „Star Trek“ nur in Science Fiction existiert, ist Teleportation in der subatomaren Welt der Quantenmechanik durchaus möglich - wenn auch nicht in der Art, wie sie typischerweise im Fernsehen dargestellt wird. Denn in der Quantenwelt geht es bei der Teleportation eher um den Transport von Informationen als um den Transport von Materie.

2017 verkündeten chinesische Forscher erstmals eine gelungene „Quantenteleportation“. 2018 bestätigten Wissenschaftler der Uni Saarland, dass Informationen zwischen Photonen auf Computerchips übertragen werden können, auch wenn die Photonen nicht physikalisch miteinander verbunden sind. Jetzt hat ein Forschungsteam um Physikprofessor Andrew Jordan und Assistenzprofessor John Nichol der Universitäten Rochester und Purdue herausgefunden, dass Teleportation potentiell auch zwischen Elektronen möglich ist. Die Forschung ist ein wichtiger Schritt zur Verbesserung des Quantencomputers, der seinerseits das Potenzial hat, Technologie, Medizin und Wissenschaft durch schnellere und effizientere Prozessoren und Sensoren zu revolutionieren.

Ein leichterer Weg zu Quantenteleportation in Halbleitern?

Bei Quantenteleportation handelt es sich um eine Demonstration des Quanteneffekts, der von Albert Einstein einst auch als „spukhafte Fernwirkung“ („spooky action at a distance“) bezeichnet wurde und der of auch als Quantenverschränkung bekannt ist. Bei der Verschränkung - einem der Grundprinzipien der Quantenforschung - wirken sich die Eigenschaften und Veränderungen eines Partikels auf die entsprechenden Eigenschaften eines anderen, mit dem ersten „verschränkten“ Partikels aus, selbst wenn zwischen den beiden Teilchen weite Distanzen liegen.

Bei der Quantenteleportation handelt es sich um zwei entfernte, verschränkte Teilchen, bei denen der Zustand eines dritten Teilchens seinen Zustand sofort auf die beiden verschränkten Teilchen „teleportiert“. Sie gilt als ein wichtiges Mittel zur Informationsübertragung im Quantencomputing: Während ein typischer Computer aus Milliarden von Transistoren, so genannten Bits, besteht, kodieren Quantencomputer Informationen in Quantenbits, oder Qubits. Ein Bit hat einen einzigen binären Wert, der entweder "0" oder "1" sein kann, aber Qubits können gleichzeitig "0" und "1" sein. Die Fähigkeit einzelner Qubits, gleichzeitig mehrere Zustände einzunehmen, liegt der großen potentiellen Leistungsfähigkeit von Quantencomputern zugrunde.

Die saarländischen Wissenschaftler hatten in der Vergangenheit Quantenteleportation demonstriert, indem sie elektromagnetische Photonen zur Erzeugung von fern verschränkten Qubit-Paaren verwendet haben.

Qubits, die aus einzelnen Elektronen bestehen, hätten allerdings den Vorteil, dass sie sich deutlich einfacher zur Informationsübertragung in Halbleitern umsetzen lassen würden. „Einzelne Elektronen sind vielversprechende Qubits, weil sie sehr leicht miteinander wechselwirken,“ sagt Nichol. „Einzelne Elektronen-Qubits in Halbleitern sind auch skalierbar“. Die zuverlässige Erzeugung von Langstrecken-Wechselwirkungen zwischen Elektronen ist für das Quanten-Computing unerlässlich.

Die Erzeugung verschränkter Elektronenpaare

Während Photonen sich natürlich über große Entfernungen ausbreiten, sind Elektronen normalerweise auf einen Ort beschränkt. Um die Quantenteleportation mit Hilfe von Elektronen zu demonstrieren, nutzten die Forscher eine kürzlich entwickelte Technik, die auf den Prinzipien der Heisenbergschen Austauschkopplung basiert.

Ein einzelnes Elektron verfügt dabei wie ein Stabmagnet einen Nordpol und einen Südpol, der entweder nach oben oder nach unten zeigen kann. Die Richtung des Pols - ob z.B. der Nordpol nach oben oder nach unten zeigt - wird als magnetisches Moment oder Quanten-Spin-Zustand des Elektrons bezeichnet. Wenn bestimmte Arten von Teilchen das gleiche magnetische Moment haben, können sie sich nicht zur gleichen Zeit am gleichen Ort befinden. Das heißt, zwei Elektronen im gleichen Quantenzustand können nicht übereinander sitzen. Wenn sie es täten, würden ihre Zustände in der Zeit hin und her wechseln.

Die Forscher verwendeten diese Technik, um verschränkte Elektronenpaare zu verteilen und ihre Spin-Zustände zu teleportieren. „Wir liefern Beweise für 'Verschränkungsvertauschung', bei der wir Verschränkung zwischen zwei Elektronen erzeugen, obwohl die Teilchen nie wechselwirken, und für 'Quanten-Gate-Teleportation', eine potenziell nützliche Technik für Quantencomputer mit Teleportation“, sagt Nichol. „Unsere Arbeit zeigt, dass dies auch ohne Photonen möglich ist.“

Die Ergebnisse ebnen nach Ansicht der Forscher den Weg für zukünftige Forschungen zur Quantenteleportation, die Spinzustände aller Materie, nicht nur der Photonen, einbeziehen. Dies liefert weitere Beweise für die Möglichkeiten einfacherer kommerzieller Quantenprozessoren und anders gearteter Qubit-Halbleiter.

Das Forscherteam hat seine Erkenntnisse in zwei Studien zusammengefasst, die in den Fachblättern Nature Communications und Physical Review X erschienen sind.

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