Deutschen Physikern gelang effizienter Nachweis von Quantenkorrelationen

27. Dezember 2013, 11:56
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Ergebnisse liefern neue Einsichten in die Funktionsweise von Quantencomputern

Freiburg/Breisgau - Quantencomputer gelten als die leistungsfähigen Rechenmaschinen der Zukunft. Sie verdanken ihre Rechenstärke einem besonderen, schwer fassbaren "Kraftstoff", der nur in der Quantenwelt fließt: Quantenkorrelationen. Physiker der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau konnten nun mit einem internationalen Team zeigen, wie sich Quantenkorrelationen effizient nachweisen lassen. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forscher in der Fachzeitschrift "Nature Physics".

Bei Quantenkorrelationen handelt es sich um die wechselseitige Bedingtheit der lokalen Eigenschaften von so genannten Quantenbits. Quantenbits sind die Einzelteile eines Quantencomputers und unterliegen hinsichtlich ihrer Eigenschaften dem quantenmechanischen Prinzip der Unschärfe. Dieses besagt, dass eine Messung an einem einzelnen Quantenbit ein zufälliges, nur statistisch prognostizierbares Ergebnis liefert. Stellt man sich ein Quantenbit als Kugel vor, deren Farbe oder Musterung zu messen ist, so ergibt eine einzelne Messung beispielsweise gestreift oder kariert, rot oder grün.

Rechenkraft prognostizieren

Quantenkorrelationen äußern sich so, dass die Messergebnisse an einem einzelnen Quantenbit jeweils unvorhersagbar sind, die Ergebnisse zweier getrennter Quantenbits aber streng korreliert sein können: Ist das eine Teilchen gestreift, hat das andere Karos. Ist das eine rot, leuchtet das andere grün. Diese Eigenschaft gibt es nur in der Quantenwelt, sie ist eine Konsequenz des Superpositionsprinzips. Ihr verdanken Quantencomputer ihre Rechenkraft.

Für den Rechnerbetrieb ist es wichtig, verlässlich feststellen zu können, wie viel Kraft ein Quantencomputer noch zur Verfügung hat. Ein Nachweis ist jedoch schwer zu erbringen. Bisher gingen Forscher davon aus, dafür den Gesamtzustand der Maschine genau kennen und die Maschine in ihre Einzelteile zerlegen zu müssen. Die Freiburger Physiker konnten mit ihren Kollegen nun zeigen, dass das nicht notwendig ist: Tatsächlich genügt es, lediglich wenige Komponenten der Quantenmaschine über eine endliche Zeitspanne zu beobachten und diese Zeitentwicklung mit der eines geeignet präparierten Referenzzustandes zu vergleichen.

Diese konzeptionelle Einsicht wurde in einem hochpräzisen Experiment an einem geladenen Quantenteilchen nachgewiesen. Zudem konnten die Wissenschaftler zeigen, dass ihr Ansatz auch für die Analyse komplexerer Quantenregister, in denen Quantenbits gespeichert werden, nutzbar ist. Die Möglichkeit, von einem Teil auf eine wesentliche Eigenschaft des Ganzen schließen zu können, lässt hoffen, künftig auch die Komplexität großer Quantenregister in den Griff zu bekommen. (red, derStandard.at, 27. 12. 2013)

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