Erstes Objekt von der Erde in den Orbit teleportiert

Letztes Jahr startete eine Long March 2D-Rakete vom Jiuquan Satellite Launch Center in der Wüste Gobi mit einem Satelliten namens Micius, benannt nach einem alten chinesischen Philosophen, der 391 v. Chr. starb. Die Rakete brachte Micius in eine sonnensynchrone Umlaufbahn, sodass sie jeden Tag zur gleichen Zeit denselben Punkt auf der Erde überfliegt.

Micius ist ein hochempfindlicher Photonenempfänger, der die Quantenzustände einzelner Photonen erfassen kann, die vom Boden abgefeuert werden. Das ist wichtig, weil es Wissenschaftlern ermöglichen sollte, die technologischen Bausteine ​​für verschiedene Quantenleistungen wie Verschränkung, Kryptografie und Teleportation zu testen.

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Heute gab das Micius-Team die Ergebnisse seiner ersten Experimente bekannt. Das Team erstellte das erste Satelliten-Boden-Quantennetzwerk und brach dabei den Rekord für die längste Entfernung, über die Verschränkung gemessen wurde. Und sie haben dieses Quantennetzwerk genutzt, um das erste Objekt vom Boden in die Umlaufbahn zu teleportieren.



Teleportation ist zu einer Standardoperation in Quantenoptiklabors auf der ganzen Welt geworden. Die Technik beruht auf dem seltsamen Phänomen der Verschränkung. Dies tritt auf, wenn sich zwei Quantenobjekte, wie z. B. Photonen, zum selben Zeitpunkt und am selben Punkt im Raum bilden und somit dieselbe Existenz teilen. Technisch werden sie durch die gleiche Wellenfunktion beschrieben.

Das Merkwürdige an der Verschränkung ist, dass diese gemeinsame Existenz auch dann fortbesteht, wenn die Photonen durch große Entfernungen voneinander getrennt sind. Eine Messung an einem beeinflusst also sofort den Zustand des anderen, unabhängig von der Entfernung zwischen ihnen.

Bereits in den 1990er Jahren erkannten Wissenschaftler, dass sie diese Verbindung nutzen könnten, um Quanteninformationen von einem Punkt im Universum zu einem anderen zu übertragen. Die Idee ist, alle mit einem Photon verbundenen Informationen an einem Ort herunterzuladen und sie über eine verschränkte Verbindung zu einem anderen Photon an einem anderen Ort zu übertragen.

Dieses zweite Photon nimmt dann die Identität des ersten an. Es wird praktisch zum ersten Photon. Das ist die Natur der Teleportation und sie wurde viele Male in Labors auf der Erde durchgeführt.

Teleportation ist ein Baustein für eine Vielzahl von Technologien. Langstrecken-Teleportation wurde als grundlegendes Element in Protokollen wie groß angelegten Quantennetzwerken und verteilter Quantenberechnung erkannt, sagt das chinesische Team.

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Theoretisch sollte es keine maximale Entfernung geben, über die dies möglich ist. Aber Verschränkung ist eine zerbrechliche Sache, weil Photonen mit Materie in der Atmosphäre oder in Glasfasern interagieren, wodurch die Verschränkung verloren geht.

Infolgedessen ist die Entfernung, über die Wissenschaftler Verschränkungen gemessen oder Teleportationen durchgeführt haben, stark begrenzt. Frühere Teleportationsexperimente zwischen entfernten Orten waren aufgrund von Photonenverlusten in Glasfasern oder terrestrischen Freiraumkanälen auf eine Entfernung in der Größenordnung von 100 Kilometern begrenzt, sagt das Team.

Aber Micius ändert all das, weil es in einer Höhe von 500 Kilometern umkreist, und für den größten Teil dieser Entfernung reisen alle Photonen, die die Reise machen, durch ein Vakuum. Um die Atmosphäre so gering wie möglich zu halten, errichtete das chinesische Team seine Bodenstation in Ngari in Tibet auf einer Höhe von über 4.000 Metern. Die Entfernung vom Boden zum Satelliten variiert also zwischen 1.400 Kilometern in Horizontnähe und 500 Kilometern über dem Horizont.

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Um das Experiment durchzuführen, erzeugte das chinesische Team verschränkte Photonenpaare auf dem Boden mit einer Geschwindigkeit von etwa 4.000 pro Sekunde. Dann strahlten sie eines dieser Photonen zum Satelliten, der jeden Tag um Mitternacht über sie hinwegflog. Das andere Photon hielten sie am Boden.

Schließlich maßen sie die Photonen am Boden und im Orbit, um zu bestätigen, dass eine Verschränkung stattfand und dass sie Photonen auf diese Weise teleportieren konnten. Über 32 Tage hinweg schickten sie Millionen von Photonen und fanden in 911 Fällen positive Ergebnisse. Wir berichten über die erste Quantenteleportation unabhängiger Einzelphotonen-Qubits von einem Bodenobservatorium zu einem Satelliten im niedrigen Erdorbit – über einen Uplink-Kanal – mit einer Entfernung von bis zu 1400 km, sagt das chinesische Team.

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Dies ist das erste Mal, dass ein Objekt von der Erde in den Orbit teleportiert wurde, und es bricht den Rekord für die längste Entfernung für Verschränkung.

Das ist eine beeindruckende Arbeit, die die Weichen für viel ehrgeizigere Ziele in der Zukunft stellt. Diese Arbeit stellt die erste Boden-zu-Satelliten-Aufwärtsverbindung für zuverlässige und ultralange Quantenteleportation her, ein wesentlicher Schritt in Richtung eines globalen Quanteninternets, sagt das Team.

Es zeigt auch Chinas offensichtliche Dominanz und Führung in einem Bereich, der bis vor kurzem von Europa und den USA angeführt wurde – Micius wäre sicherlich beeindruckt gewesen. Aber eine wichtige Frage ist jetzt, wie der Westen darauf reagieren wird.

Ref: arxiv.org/abs/1707.00934 : Quantenteleportation von Boden zu Satellit

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