Quantenphänomene sind experimentell schwierig zu beherrschen, der Aufwand steigt mit der Größe des Systems dramatisch. Seit einigen Jahren sind Wissenschaftler/innen in der Lage, kleine Quantensysteme gut zu kontrollieren und an ihnen Quanteneigenschaften zu erforschen. Solche Quantensimulationen gelten als vielversprechende frühe Anwendung von Quantentechnologien, die Probleme lösen könnten, an denen Simulationen auf herkömmlichen Computer scheitern. Allerdings müssen dafür die als Quantensimulatoren eingesetzten Quantensysteme noch weiter wachsen. Die Verschränkung von vielen Teilchen ist nach wie vor ein messtechnisch schwer fassbares Phänomen. „Um einen Quantensimulator aus zehn oder mehr Teilchen in unserem Labor betreiben zu können, müssen wir die Zustände des Systems möglichst genau charakterisieren“, erläutert Christian Roos vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation Innsbruck der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW).
Bisher wurde für die Beschreibung von Quantenzuständen die Quantenzustands-Tomographie verwendet, mit der der Zustand eines Systems vollständig beschrieben werden kann. Dieses Verfahren ist allerdings mit einem sehr hohen Mess- und Rechenaufwand verbunden und eignet sich nicht für Systeme mit über einem halben Dutzend Teilchen. Vor zwei Jahren präsentierten die Innsbrucker Forscher/innen um Christian Roos gemeinsam mit Kollegen aus Deutschland und Großbritannien eine messtechnisch sehr effiziente Methode für die Charakterisierung komplexer Quantenzustände. Allerdings können damit nur schwach verschränkte Zustände beschrieben werden. Dieses Problem umgeht nun eine neue Methode, die Theoretiker/innen um Peter Zoller im Vorjahr vorgestellt haben und mit der beliebige Verschränkungszustände charakterisiert werden können. Dieses Verfahren haben sie nun gemeinsam mit Experimentalphysiker/innen um Rainer Blatt und Christian Roos im Labor demonstriert.
Quantensimulationen auf größeren Systemen
„Das neue Verfahren basiert auf der wiederholten Messung von zufällig gewählten Veränderungen von einzelnen Teilen des Systems. Die statistische Auswertung der Messergebnisse macht dann Aussagen über das Maß der Verschränkung des Systems möglich“, erklärt Nachwuchsphysiker Andreas Elben. Demonstriert haben die Innsbrucker Physiker/innen das Verfahren in einem Quantensimulator aus mehreren in einer Reihe aufgefädelten Ionen in einer Vakuumkammer. Ausgehend von einem einfachen Zustand lassen die Forscher/innen die einzelnen Teilchen mit Hilfe von Laserpulsen wechselwirken und erzeugen so Verschränkung in dem System. Mit einem umfangreichen Messprotokoll kann dann der Zustand beschrieben werden: „Wir führen an jedem Ion 500 lokale Transformationen durch und wiederholen die Messungen insgesamt 150 mal, um dann aus den Messergebnissen mit statistischen Methoden Aussagen über den Verschränkungszustand ermitteln zu können“, erklärt ÖAW-Forscherin Tiff Brydges.
In einer nun im Fachmagazin „Science“ veröffentlichten Arbeit dazu charakterisieren die Innsbrucker Physiker/innen die dynamische Entwicklung eines Systems aus zehn Ionen sowie eines aus zehn Ionen bestehenden Teilsystems einer 20-teiligen Ionenkette. „Im Labor hilft uns dieses neue Verfahren sehr, weil wir so unseren Quantensimulator noch besser verstehen lernen und zum Beispiel die Reinheit der Verschränkung genauer beurteilen können“, sagt Christian Roos, der davon ausgeht, dass die neue Methode auf Quantensystemen mit bis zu mehreren Dutzend Teilchen erfolgreich angewendet werden kann.
Die wissenschaftliche Arbeit wurde vom Europäischen Forschungsrat ERC und dem österreichischen Wissenschaftsfonds FWF finanziell unterstützt. „Diese Veröffentlichung zeigt einmal mehr die fruchtbare Zusammenarbeit zwischen den theoretisch arbeitenden Physiker/innen und den Experimentalphysiker/innen hier in Innsbruck“, unterstreicht Peter Zoller.