Ein weiterer Schritt zur zuverlässigen Quanteninformationsverarbeitung

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Künstlerischer Eindruck des Nachweises von Verschränkungen. Der Strom von grünen

Künstlerischer Eindruck des Nachweises von Verschränkungen. Der Strom von grünen und roten Punkten stellt die vom Protokoll geforderten Antworten dar und zeigt so das Vorhandensein von Verschränkungen zwischen Photonen. (© Rolando Barry/Universität Wien)

PhysikerInnen entwickeln neue Methode um Quantenverschränkung nachzuweisen

Eines der wesentlichen Merkmale, das für die Verwirklichung eines Quantencomputers erforderlich ist, ist die Quantenverschränkung. Ein Team von PhysikerInnen der Universität Wien und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) stellt eine neuartige Methode vor, um Verschränkungen auch in großen Quantensystemen mit bislang beispielloser Effizienz nachzuweisen. Dies bringt die WissenschafterInnen der Umsetzung einer zuverlässigen Quanteninformationsverarbeitung einen weiteren Schritt näher. Die neuen Ergebnisse sind von unmittelbarer Bedeutung für künftige Generationen von Quantentechnologien und werden in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift "Nature Physics" veröffentlicht.

Wegen ihres großen Potenzials, die Leistungsfähigkeit von Standardcomputern bei bestimmten Aufgaben zu übertreffen, hat die Quanteninformationsverarbeitung die Aufmerksamkeit vieler WissenschafterInnen auf sich gezogen. Eines der wesentlichen Merkmale für die Verwirklichung eines Quantencomputers ist die Quantenverschränkung. Diese beschreibt einen Effekt, bei dem mehrere Quantenteilchen auf komplizierte Weise miteinander verbunden sind. Wird ein Teilchen durch eine Messung von außen beeinflusst, so ändert sich auch der Zustand des mit ihm verschränkten Teilchens, ganz gleich, wie weit diese auch voneinander entfernt sein mögen. Um das Vorhandensein dieser essentiellen Quanteneigenschaft in Quantensystemen nachzuweisen entwickeln viele WissenschafterInnen neue Techniken. Effiziente Methoden wurden für Systeme mit nur wenigen Quantenbits, den Grundeinheiten der Quanteninformation, zwar bereits getestet, allerdings erfordert die technische Umsetzung eines Quantencomputers weitaus größere Quantensysteme. Mit den herkömmlichen Methoden wird die Überprüfung der Verschränkung in großen Systemen jedoch schwierig und zeitaufwendig, da viele wiederholte Testreihen erforderlich sind.

Aufbauend auf einem kürzlich vorgestellten theoretischen Konzept hat ein Team von experimentellen und theoretischen PhysikerInnen der Universität Wien und der ÖAW unter der Leitung von Philip Walther und Borivoje Daki? gemeinsam mit KollegInnen der Universität Belgrad erfolgreich den Beweis erbracht, dass Verschränkungen überraschend effizient und in sehr kurzer Zeit nachgewiesen werden können. Somit wird ihre Methode auch auf große Quantensysteme anwendbar. Um die neue Technik zu testen, erzeugten sie im Experiment ein Quantensystem aus sechs verschränkten Photonen. Die Ergebnisse zeigen, dass nur wenige Testreihen ausreichen, um das Vorhandensein von Verschränkungen mit extrem hoher Sicherheit, bis zu 99,99 Prozent, zu bestätigen.

Die wissenschaftlich geprüfte Methode kann auch so veranschaulicht werden: Nachdem ein Quantensystem im Labor erzeugt wurde, wählen die WissenschafterInnen sorgfältig spezifische Quantenmessungen aus, die dann am System durchgeführt werden. Die Ergebnisse dieser Messungen führen dazu, dass das Vorhandensein von Verschränkungen entweder bestätigt oder verneint wird. "Es ist irgendwie so, als würde man dem Quantensystem bestimmte Ja-Nein-Fragen stellen und die erhaltenen Antworten aufschreiben. Je mehr positive Antworten gegeben werden, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass das System Verschränkungen aufweist", sagt Valeria Saggio, Erstautorin der erschienen Publikation. Überraschenderweise ist die Anzahl der benötigten Fragen und Antworten extrem gering. Die neue Technik erweist sich im Vergleich zu herkömmlichen Methoden als um Größenordnungen effizienter.
Darüber hinaus ist die Anzahl der benötigten Fragen in bestimmten Fällen sogar unabhängig von der Größe des Systems, was das Potenzial der neuen Methode für zukünftige Quantenexperimente untermauert.

Während die technische Umsetzung eines Quantencomputers immer noch vor verschiedenen Herausforderungen steht, können neue Fortschritte wie der effiziente Nachweis von Verschränkungen das Feld einen weiteren Schritt vorantreiben und so zur Weiterentwicklung der Quantentechnologien beitragen.

Publikation
"Experimental few-copy multipartite entanglement detection", Valeria Saggio, Aleksandra Dimi’, Chiara Greganti, Lee A. Rozema, Philip Walther, and Borivoje Daki’, Nature Physics, 24 June 2019;
DOI: 10.1038/S41567-019-0550-4


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