18.05.2020

Neue Prüfmethode für Quantensysteme

Wie kann man überprüfen, ob sich ein System in einem Quantenzustand oder in einem klassischen Zustand befindet? Forscher der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und der Universität Wien veröffentlichten dazu im Fachjournal Physical Review Letters eine neue Methode, die der bisherigen Messung überlegen sein könnte.

© Universität Wien/ÖAW

Das wesentlichste Merkmal, um zwischen klassischen und Quantensystemen zu unterscheiden, ist der Effekt der Quantenüberlagerung oder Kohärenz. Im berühmten Paradoxon von Schrödingers Katze befindet sich eine Katze in einer geschlossenen Kiste, anscheinend in Überlagerung der beiden Zustände „Tod“ und „Leben“. Es ist jedoch unmöglich, einen derartigen Überlagerungszustand direkt zu beobachten, denn wenn die Kiste geöffnet und die Katze beobachtet wird, verschwindet die Überlagerung plötzlich und die Katze befindet sich immer in einem wohldefinierten Zustand – sie ist entweder tot oder lebendig. Dasselbe geschieht in jedem Quantenexperiment.

Um herauszufinden ob sie es mit einem klassischen oder Quantensystem zu tun haben, verwenden Physiker/innen Interferometer. Diese Messaufbauten nutzen die wellenartige Natur des Quantensystems: Sie spalten die Wellenfunktion eines Quantensystems in zwei verschiedene Pfade auf, generieren geringste Änderungen zwischen den beiden Pfaden und schließen letztendlich eine Schleife, indem sie die beiden Pfade wieder zusammenführen. Wenn bei den Messungen ein Interferenzmuster auftritt – ähnlich dem streifenartigen Muster bei der Überlagerung zweier Wellen, wenn man zwei Steine in einen See wirft – kann man sich sicher sein, dass der Zustand in Überlagerung war. Dies bestätigt, dass man es mit einem Quantensystem zu tun hat.

Interferenzen aus der Entfernung messen

In einer neuen theoretischen Studie entwickelten Flavio Del Santo und Borivoje Dakić vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation Wien der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) und von der Universität Wien eine neue Methode, die es erlaubt, klassische und Quantenressourcen zu unterscheiden, ohne die Schleife eines Standard-Interferometers zu schließen.  Sie teilen dabei zwar auch die Wellenfunktion eines Quantensystems in zwei getrennte Pfade auf, können diese aber an getrennten Orten messen, ohne das System wieder zusammenführen zu müssen, anders als bei einem Standard-Interferometrie-Experiment. Aus den gemessenen Größen berechnen sie einen Ausdruck namens "Kohärenzgleichheit", der nur bei einem klassischen System exakt 0 ist. Jede Abweichung davon bescheinigt das Vorhandensein einer Quantenüberlagerung und kennzeichnet damit die "Nichtklassizität" eines Systems. "Normalerweise erwarten wir nicht, Interferenzstreifen zu sehen, wenn wir nur 'die Hälfte des Interferometers' verwenden“, erklärt Borivoje Dakić. „Genau das passiert jedoch hier: Wir können Interferenzen quasi 'aus der Entfernung' beobachten."

Die Autoren formulierten ihre Analyse in Form eines "Kommunikationsspiels", das von zwei Spielern, Alice und Bob, gespielt wird. Ein Informationsträger, z.B. ein Teilchen, wird von einer Quelle an Alice oder Bob geschickt. Zwischen der Quelle und den Spielern steht jeweils ein Schiedsrichter, der entscheiden kann, ob der Informationsträger auf seinem Weg blockiert oder durchgelassen werden soll. Dies entspricht der Kodierung einer binären Information. Die Schiedsrichter fordern die Spieler dann auf, eine Frage zu beantworten, die die Kenntnis beider kodierten Informationen erfordert.

Wenn ein Spieler die Frage richtig beantwortet, gewinnt er - unabhängig von seiner Spielstrategie - in immer 50% der Fällen, sofern der Informationsträger ein klassisches Objekt ist. Befindet sich der Informationsträger hingegen in einer Quantenüberlagerung der beiden Kommunikationskanäle, so weicht die Wahrscheinlichkeit von den 50% ab: Es liegt eine Verletzung der Kohärenzgleichheit vor, der Quantenzustand ist bestätigt.

"Das Neue an diesem Ansatz im Vergleich zu früheren Methoden besteht darin, dass das Ergebnis nicht direkt auf der Quantentheorie beruht“, fasst Flavio Del Santo zusammen. Tatsächlich ist ihr Ansatz im Geist der Bell'schen Ungleichung konzipiert. Diese besagt, dass keine Theorie, die ihre Schranke verletzt, das klassische Merkmal der Lokalität aufrechterhalten kann. In ähnlicher Weise zeigt jede Theorie, die die neue Kohärenzgleichheit verletzt, das nicht-klassische Verhalten der Kohärenz.

 

Auf einen Blick

Publikation:

"Coherence Equality and Communication in a Quantum Superposition", Flavio Del Santo und Borivoje Dakić, Physical Review Letters, 2020
DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.190501