Delftse onderzoekers teleporteren informatie over rudimentair kwantumnetwerk

De onderzoekers, werkzaam bij QuTech, publiceren hun bevindingen in het wetenschappelijke tijdschrift Nature.

De knooppunten van een kwantumnetwerk bestaan uit kwantum-processoren. Het versturen van informatie tussen deze processoren is niet zo gemakkelijk. Een mogelijkheid is om kwantumbits met lichtdeeltjes te versturen, maar vanwege onvermijdelijke verliezen in glasvezelkabels is er, zeker voor grote afstanden, een grote kans dat de lichtdeeltjes niet aankomen. Omdat het simpelweg kopiëren van de bits fundamenteel onmogelijk is, betekent het kwijtraken van een lichtdeeltje dat de informatie verloren is.

Een betere manier van kwantuminformatie versturen is teleportatie. Het protocol voor kwantum-teleportatie dankt zijn naam aan overeenkomsten met teleportatie in science fiction-films: de kwantum bit verdwijnt aan de kant van de zender en verschijnt aan de kant van de ontvanger. Aangezien de bit niet door de tussenliggende ruimte hoeft te reizen, is er geen kans dat die kwijtraakt.

Goede beheersing over het systeem

Teleportie vereist een aantal ingrediënten: een kwantumverstrengelde link tussen de zender en ontvanger, een betrouwbare uitleesmethode voor de processoren en de capaciteit om kwantumbits tijdelijk op te slaan. Eerder slaagde QuTech erin om kwantumbits te teleporteren tussen twee naburige knooppunten. Nu demonstreert het teleportatie tussen niet-naburige knooppunten, ofwel over een netwerk. Ze teleporteren quantum bits van knooppunt ‘Charlie’ naar ‘Alice’, met behulp van een tussengelegen knooppunt ‘Bob’.

Teleporteren in vier stappen

De teleportatie bestaat uit vier stappen:

1. Eerst moet de ‘teleporter’ worden voorbereid, dat wil zeggen, er moet een verstrengelde toestand gemaakt worden tussen Alice en Charlie. Alice en Charlie hebben geen directe fysieke verbinding met elkaar, maar wel allebei met Bob. Eerst maken Alice en Bob verstrengeling tussen hun processoren. Bob slaat zijn deel van de verstrengelde toestand op en maakt een verstrengelde toestand met Charlie. Nu wordt er een kwantummechanische truc uitgehaald: door een speciale meting uit te voeren in zijn processor, geeft Bob de verstrengeling als het ware door. Resultaat: Alice en Charlie hebben een verstrengelde toestand en de teleporter is klaar voor gebruik.
2. De tweede stap is het aanmaken van de ‘boodschap’ – de kwantumbit – die geteleporteerd wordt. Dat kan bijvoorbeeld ‘1’ zijn, of ‘0’, maar ook allerlei waarden daar tussenin. Charlie zet de informatie klaar. Om te laten zien dat de teleportatie generiek werkt, herhalen de onderzoekers het hele experiment voor verschillende waarden.
3. Stap drie is de daadwerkelijke teleportatie. Charlie voert daarvoor een gezamenlijke meting uit op zijn processor met de boodschap en op zijn helft van de verstrengelde toestand (Alice bezit de andere helft). Daardoor verdwijnt de informatie aan de kant van Charlie en verschijnt deze onmiddellijk aan de kant van Alice.
4. Tot slot moet de informatie worden ontsleuteld. De sleutel wordt bepaald door de meetuitkomst van Charlie, die deze naar Alice stuurt, waarna Alice de bijbehorende operatie doet om de bit te ontsleutelen. Bijvoorbeeld door een ‘bit flip’: 0 wordt 1 en 1 wordt 0. Als Alice de juiste operatie heeft uitgevoerd is de kwantuminformatie geschikt voor verder gebruik en is de teleportatie gelukt.

Alice, de ontvanger van de geteleporteerde kwantuminformatie. In de zwarte aluminium cilinder wordt het diamanten monster gekoeld tot -270 °C, om ruis uit de omgeving te verminderen en de kwantumcontrole mogelijk te maken. Foto: Marieke de Lorijn voor QuTech.