Quantum teleportation of single-electron states
(2019) FYSM30 20191Mathematical Physics
Department of Physics
- Abstract
- Quantum teleportation is a way to transfer a quantum state between two locations, by utilizing a shared entangled state, measurements and the ability to communicate measurement outcomes between the two locations. This thesis consists of a theoretical investigation of an experiment that would implement quantum teleportation using single-electron states in mesoscopic architectures. First, we studied an idealized version, where it is assumed that single-electron states can be detected, which is yet to be demonstrated for certain types of implementations. There we find a teleportation efficiency of 25\% or 12.5\%, depending on whether a conditional unitary operation can be applied to the teleported state. We also show how to verify successful... (More)
- Quantum teleportation is a way to transfer a quantum state between two locations, by utilizing a shared entangled state, measurements and the ability to communicate measurement outcomes between the two locations. This thesis consists of a theoretical investigation of an experiment that would implement quantum teleportation using single-electron states in mesoscopic architectures. First, we studied an idealized version, where it is assumed that single-electron states can be detected, which is yet to be demonstrated for certain types of implementations. There we find a teleportation efficiency of 25\% or 12.5\%, depending on whether a conditional unitary operation can be applied to the teleported state. We also show how to verify successful teleportation, by describing a way to perform state tomography on the teleported state. Next, we considered a more realistic setup where single-electron states called levitons are periodically injected. We show that at $T=0$ it is possible to perform state tomography using measurements of low-frequency current correlators up to order three. This opens the possibility to perform teleportation experiments that do not rely on single-electron detection. The correlators were calculated within the framework of Floquet scattering theory. Strictly speaking, the simple picture of single-electron state teleportation breaks down at finite temperatures. However, we find that the generalized observables can be interpreted in terms of noisy teleportation. (Less)
- Popular Abstract (Swedish)
- Teleportering – att förflytta människor och ting mellan två platser utan att de faktiskt reser mellan dem – har länge varit en del av science fiction berättelser, som exempelvis Star Trek. Fram till 90-talet så förblev teleportering en science fiction dröm, men 1993 så föreslog Charles H. Bennett och medarbetare ett sätt att få teleportering att bli verklighet. 1997 så utfördes ett experiment i Österrike som bekräftade att teleportering är möjligt. Det forskarna kom fram till är att vi kan förflytta tillståndet hos små partiklar som beskrivs av kvantmekanikens lagar mellan två platser, och tekniken har därför fått namnet kvantteleportering.
Kvantmekanik är den gren inom fysiken som beskriver de allra minsta beståndsdelarna i vår värld.... (More) - Teleportering – att förflytta människor och ting mellan två platser utan att de faktiskt reser mellan dem – har länge varit en del av science fiction berättelser, som exempelvis Star Trek. Fram till 90-talet så förblev teleportering en science fiction dröm, men 1993 så föreslog Charles H. Bennett och medarbetare ett sätt att få teleportering att bli verklighet. 1997 så utfördes ett experiment i Österrike som bekräftade att teleportering är möjligt. Det forskarna kom fram till är att vi kan förflytta tillståndet hos små partiklar som beskrivs av kvantmekanikens lagar mellan två platser, och tekniken har därför fått namnet kvantteleportering.
Kvantmekanik är den gren inom fysiken som beskriver de allra minsta beståndsdelarna i vår värld. Tyvärr så fungerar kvantteleportering endast för dessa små partiklar, så förvänta dig inte att kunna teleportera till andra sidan jorden inom en snar framtid. Även fast du inte kan använda kvantteleportering för att ta en snabbtur till Bahamas, så finns det andra anledningar att var intresserad av tekniken. På senare tid har forskare och även stora teknikföretag som Apple, Intel och IBM intresserat sig för en ny typ av dator som använder kvantmekaniska partiklar för att göra beräkningar. Ett möjligt användningsområde för kvantteleportering skulle vara att sammankoppla dessa så kallade kvantdatorer i ett globalt nätverk likt dagens internet.
För tillfället så har ljuspartiklar, så kallade fotoner, varit det som forskare har haft mest framgång med att teleportera. 2017 så lyckades ett kinesiskt forskarteam teleportera tillstånd hos fotoner till en satellit som befann sig i en omloppsbana 1 400 km ovanför jordens yta. Kvantteleportering handlar dock inte bara om att om att flytta tillstånd hos kvantpartiklar så långt som möjligt, utan det kan även ses som ett steg på vägen mot bättre kontroll över kvantpartiklar. Förhoppningsvis kan vi i framtiden kontrollera dem tillräckligt bra för att använda dem till nya teknologiska applikationer, som exempelvis kvantdatorer.
Under mitt masterprojekt så har jag studerat ett sätt att utföra kvantteleportering med elektroner istället för fotoner. Elektroner är de kvantpartiklar som utgör den elektriska strömmen i dina elektriska apparater. Mitt mål har varit att räkna ut hur effektivt ett visst sätt att utföra kvantteleportering med elektroner kan vara och att försöka hitta ett sätt som andra forskare kan använda för att kontrollera hur väl allting fungerar. Förhoppningen är att det i framtiden ska vara möjligt att utföra ett teleporteringsexperiment med elektroner, och att det är steg på vägen mot ny teknologi som är baserad på elektroners kvantmekaniska beteende. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/8988603
- author
- Olofsson, Edvin LU
- supervisor
- organization
- course
- FYSM30 20191
- year
- 2019
- type
- H2 - Master's Degree (Two Years)
- subject
- keywords
- Quantum teleportation, Quantum information, Quantum physics, Levitons, Floquet scattering theory, Mesoscopic physics, Nanophysics, Electron quantum optics
- language
- English
- id
- 8988603
- date added to LUP
- 2019-06-27 12:03:15
- date last changed
- 2020-06-27 03:40:19
@misc{8988603,
abstract = {{Quantum teleportation is a way to transfer a quantum state between two locations, by utilizing a shared entangled state, measurements and the ability to communicate measurement outcomes between the two locations. This thesis consists of a theoretical investigation of an experiment that would implement quantum teleportation using single-electron states in mesoscopic architectures. First, we studied an idealized version, where it is assumed that single-electron states can be detected, which is yet to be demonstrated for certain types of implementations. There we find a teleportation efficiency of 25\% or 12.5\%, depending on whether a conditional unitary operation can be applied to the teleported state. We also show how to verify successful teleportation, by describing a way to perform state tomography on the teleported state. Next, we considered a more realistic setup where single-electron states called levitons are periodically injected. We show that at $T=0$ it is possible to perform state tomography using measurements of low-frequency current correlators up to order three. This opens the possibility to perform teleportation experiments that do not rely on single-electron detection. The correlators were calculated within the framework of Floquet scattering theory. Strictly speaking, the simple picture of single-electron state teleportation breaks down at finite temperatures. However, we find that the generalized observables can be interpreted in terms of noisy teleportation.}},
author = {{Olofsson, Edvin}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
title = {{Quantum teleportation of single-electron states}},
year = {{2019}},
}