15.02.2018

Fingerabdrücke der Quantenverschränkung

Quantenverschränkung ist ein wesentliches Merkmal eines Quantencomputers. Wie kann man jedoch sicherstellen, dass ein Quantencomputer tatsächlich Verschränkung in großem Umfang aufweist? Mit herkömmlichen Methoden ist dies schwer, da sie oftmalig wiederholte Messungen erfordern. Aleksandra Dimić von der Universität Belgrad und Borivoje Dakić von der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und der Universität Wien haben eine neuartige Methode entwickelt, mit der in vielen Fällen nur ein einziger Messdurchgang ausreicht, um Verschränkung nachzuweisen. Ihre überraschenden Ergebnisse werden aktuell im online Open Access Journal "npj Quantum Information" der Nature Publishing Group veröffentlicht.

Das ultimative Ziel der Quanteninformationsforschung ist es, einen Quantencomputer zu entwickeln – ein vollständig kontrollierbares Gerät, das Quantenzustände subatomarer Teilchen nutzt um Information zu speichern. So wie bei allen Quantentechnologien basiert die elektronische Datenverarbeitung mit einem Quantencomputer auf einer sonderbaren Eigenschaft der Quantenmechanik, der Quantenverschränkung. Die kleinstmöglichen Speichereinheiten der Quanteninformation, die Qubits, müssen in dieser bestimmten Art und Weise miteinander korrelieren, damit der Quantencomputer sein volles Potenzial ausschöpfen kann.

Eine der größten Herausforderungen ist es, sicherzustellen, dass ein voll funktionsfähiger Quantencomputer wie gewünscht arbeitet. Insbesondere müssen WissenschafterInnen zeigen, dass die große Anzahl von Qubits verlässlich verschränkt ist. Herkömmliche Methoden erfordern eine Vielzahl von wiederholten Messungen für einen zuverlässigen Nachweis der Qubits. Je öfter ein Messdurchgang wiederholt wird, desto sicherer ist, dass tatsächlich Verschränkung vorliegt. Bei großen Quantensystemen benötigen die WissenschafterInnen daher viel Zeit und viele Ressourcen, was in der Praxis kompliziert oder sogar unmöglich ist.

Nun haben ForscherInnen der Universität Belgrad, der Universität Wien und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften eine neuartige Nachweismethode entwickelt, welche deutlich weniger Ressourcen, und in vielen Fällen nur einen einzigen Messdurchgang erfordert, um Verschränkung in großen Systemen mit großer Sicherheit zu bestätigen. Aleksandra Dimić, Autorin der Studie, erklärt das Phänomen mit einer Analogie: "Betrachten wir eine Maschine, die gleichzeitig zehn Münzen wirft. Wir haben die Maschine so konstruiert, dass sie korrelierte Münzen produziert. Nun wollen wir sicherstellen, dass die Maschine das erwartete Ergebnis liefert. Stellen wir uns einen einzigen Versuch vor, bei dem alle Münzen auf 'Zahl' landen. Dies ist ein klares Anzeichen für Korrelationen, da zehn nicht-korrelierte Münzen in nur 0,01 Prozent der Fälle gleichzeitig auf derselben Seite landen. Von einem solchen Vorfall können wir das Vorhandensein von Korrelationen mit mehr als 99,9 prozentiger Sicherheit bestätigen. Diese Situation ist sehr ähnlich zu durch Verschränkung bedingten Quantenkorrelationen". Ko-Autor Borivoje Dakić erläutert es so: "Im Gegensatz zu klassischen Münzen können Qubits auf viele Arten gemessen werden. Das Messergebnis ist immer noch eine Reihe von Einsern und Nullen, aber ihre Struktur hängt stark davon ab, wie wir die Messung individueller Qubits wählen. Wenn wir den Versuch geschickt aussuchen, hinterlässt die Verschränkung einzigartige Fingerabdrücke im gemessenen Muster".

Die von den ForscherInnen entwickelte Methode verspricht eine drastische Reduktion in Zeit- und Ressourcenaufwand für einen verlässlichen Maßstab bei künftigen Quantengeräten.