Innsbruck – Quantenphänomene lassen sich nicht nur schwer mit Alltagserfahrungen in Einklang bringen, sie sind auch experimentell schwierig zu beherrschen. Vor allem wenn viele Teilchen miteinander verschränkt sind, wird es höchst kompliziert. Einen neuen Ansatz zum Messen des Phänomens in Vielteilchensystemen mittels Zufall haben nun Innsbrucker Forscher erstmals realisiert. Die Ergebnisse sind im Fachblatt "Science" erschienen.
Von Albert Einstein einst noch als "spukhafte Fernwirkung" abgetan, ist die Quantenverschränkung mittlerweile das Rückgrat für viele aktuelle und zukünftige Quantentechnologien. Verschränkte Teilchen können physikalisch nicht als einzelne Teilchen mit definierten Zuständen beschrieben werden, sondern nur als Gesamtsystem. Selbst wenn sie sich in sehr großer Entfernung voneinander befinden, beeinflussen Veränderungen an einem Teilchen auch den oder die Partner unmittelbar. Während der Effekt für einige wenige Teilchen bereits gut untersucht ist, stellt die Erforschung von Quantensystemen aus vielen Teilchen eine große Herausforderung dar.
Hoher Rechenaufwand
Bereits seit einigen Jahren ist es möglich, kleine Quantensysteme zu kontrollieren und damit Quanteneigenschaften zu erforschen, berichtet das Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) in Innsbruck. Um mit einem Quantencomputer bestimmte Probleme tatsächlich besser lösen zu können als mit herkömmlichen Rechnern, brauche es jedoch "Simulatoren" mit mehr als einer Handvoll Teilchen.
"Um einen Quantensimulator aus zehn oder mehr Teilchen in unserem Labor betreiben zu können, müssen wir die Zustände des Systems möglichst genau charakterisieren", so Christian Roos vom IQOQI. Das Ausmaß an Verschränkung festzustellen bedeutet einen sehr hohen rechnerischen Aufwand, der sich ab Systemen mit mehr als einem halben Dutzend Teilchen mit herkömmlichen Methoden kaum bewältigen lasse.
Zufällig gewählte Messung
Teilweise Abhilfe schaffte das Team um Roos zusammen mit Kollegen aus Deutschland und Großbritannien vor rund zwei Jahren mit einem effizienteren Messansatz komplexer Quantenzustände, der jedoch nur bei schwach verschränkten Zuständen griff. Eine Gruppe um den Innsbrucker theoretischen Physiker Peter Zoller entwickelte dann 2018 eine Methode, mit der sich beliebige Verschränkungszustände analysieren lassen. Experimentalphysiker um Rainer Blatt und Roos konnten den Ansatz nun erstmals im Labor umsetzen.
"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", so Andreas Elben, Co-Autor der Studie. In ihrer aktuellen Arbeit zeigen die Forscher, dass sich so etwa die Entwicklung eines Systems aus zehn Ionen ablesen lässt. "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", so Roos. Künftig wollen die Wissenschafter den Ansatz auf Systeme mit mehreren Dutzend Teilchen ausweiten. (APA, red, 23.4.2019)