Quantenmessungen können durch Zufall geholfen werden

Bei der Steuerung von Quantensystemen kommt es ganz sicher auf die Größe an. Größere Systeme, die aus mehr Partikeln bestehen, können schnell nicht mehr verwaltet werden. Eine neue Methode könnte Physikern helfen, größere, empfindlichere Quantensysteme in Angriff zu nehmen.

Die wiederholte Messung zufällig ausgewählter Transformationen einzelner Partikel gibt Aufschluss über den Grad der Verschränkung eines Systems. (IQOQI Innsbruck / M.R.Knabl)

Wissenschaftler sind seit vielen Jahren in der Lage, kleine Quantensysteme zu steuern und ihre Quanteneigenschaften zu untersuchen. Solche Simulationen gelten als vielversprechende frühe Anwendungen von Quantentechnologien, die Probleme lösen könnten, bei denen Simulationen auf herkömmlichen Computern fehlschlagen.

Größere Quantensysteme sind jedoch experimentell schwieriger zu handhaben - und da die Quantensysteme, die als Quantensimulatoren verwendet werden, weiter wachsen müssen, wächst auch die Schwierigkeit, sie zu manipulieren.

Ein Teil dieser Schwierigkeit ist die Tatsache, dass es mit zunehmender Anzahl von Partikeln immer schwieriger wird, sich vor einem Zusammenbruch zu schützen. Dies führt zu einem äußerst heiklen Vorgang.

Christian Roos vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften erklärt: „Um einen Quantensimulator mit zehn oder mehr Partikeln im Labor zu betreiben, müssen wir die Zustände des Systems so genau wie möglich charakterisieren . "

Bisher wurde die Quantenzustands-Tomographie zur Charakterisierung von Quantenzuständen verwendet, mit denen das System vollständig beschrieben werden kann. Das Problem ist, dass diese Methode mit viel Mess- und Rechenaufwand verbunden ist und derzeit nicht für Systeme mit mehr als einem halben Dutzend Partikeln verwendet werden kann.

Christian Roos hat vor zwei Jahren zusammen mit Kollegen aus Deutschland und Großbritannien eine sehr effiziente Methode zur Charakterisierung komplexer Quantenzustände vorgestellt. Mit dieser Methode können jedoch nur schwach verschränkte Zustände beschrieben werden.

Im vergangenen Jahr hat Peter Zoller eine Methode vorgestellt, die sich mit dieser Komplikation auseinandersetzen und damit jeden verwickelten Zustand charakterisieren kann. In Zusammenarbeit mit den Experimentalphysikern Rainer Blatt und Christian Roos und ihrem Team haben sie diese Methode nun im Labor demonstriert.

Quantensimulationen auf größeren Systemen

Die Physiker demonstrierten den Prozess in einem Quantensimulator, der aus mehreren in einer Vakuumkammer hintereinander angeordneten Ionen bestand. Ausgehend von einem einfachen Zustand ließen die Forscher die einzelnen Partikel mit Hilfe von Laserpulsen interagieren. Auf diese Weise wurde eine Verschränkung im System erzeugt.

Andreas Elben, Teil des Zoller-Teams, erklärt: „Die neue Methode basiert auf der wiederholten Messung zufällig ausgewählter Transformationen einzelner Partikel. Die statistische Auswertung der Messergebnisse gibt dann Auskunft über den Verwicklungsgrad des Systems. “

Tiff Brydges, Doktorand am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation, fährt fort: „Wir führen an jedem Ion 500 lokale Transformationen durch und wiederholen die Messungen insgesamt 150 Mal, um dann mit statistischen Methoden Informationen zu ermitteln den Verschränkungszustand aus den Messergebnissen. “

In der jetzt in der Fachzeitschrift Science erschienenen Arbeit charakterisieren die Innsbrucker Physiker die dynamische Entwicklung eines Systems aus zehn Ionen sowie eines Teilsystems aus zehn Ionen einer 20-Ionen-Kette.

Roos, der hofft, dass die neue Methode erfolgreich auf Quantensysteme mit bis zu mehreren Dutzend Partikeln angewendet werden kann, sagt: „Diese neue Methode hilft uns im Labor sehr, weil sie es uns ermöglicht, unseren Quantensimulator noch besser zu verstehen und z zum Beispiel, um die Reinheit der Verstrickung genauer zu beurteilen. “

Für Zoller war der wichtigste Aspekt der Studie die Zusammenarbeit: „Diese Veröffentlichung zeigt einmal mehr die fruchtbare Zusammenarbeit zwischen den theoretischen Physikern und den experimentellen Physikern hier in Innsbruck.

„An der Universität Innsbruck und am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften finden Nachwuchsforscher beider Fachrichtungen sehr gute Voraussetzungen für eine weltweit wettbewerbsfähige Forschungsarbeit.“

Roos hofft auch auf weitere Anwendungen für die neue Methode: "Eine zweite Anwendung, die wir sehen, sind Quantensimulationsexperimente, bei denen die Technik dazu beitragen könnte, zu verstehen, wie sich die Verschränkung in Quantensystemen ausbreitet, wenn die Bestandteile des Systems quantenmechanisch miteinander interagieren."

Originalrecherche: http://dx.doi.org/10.1126/science.aau4963