Kontrollierte Vielteilchenverschränkung

Quantenphysiker erzielen Verschränkungsrekord

| Autor / Redakteur: Dr. Anna-Lena Gutberlet / Rainer Graefen

Illustration der neuen exotischen Quantenzustände, die in Innsbruck entstanden sind. Zu sehen ist die Erzeugung der Quantenverschränkung in einer Kette von 20 einzelnen Atomen. Beobachtet wurde die Verschränkung zwischen benachbarten Atompaaren (blau), Atomdrillingen (rosa), Vierlingen (rot) und Fünflingen (gelb), bevor das System zu komplex wurde, um es mit bestehenden Techniken zu charakterisieren.
Illustration der neuen exotischen Quantenzustände, die in Innsbruck entstanden sind. Zu sehen ist die Erzeugung der Quantenverschränkung in einer Kette von 20 einzelnen Atomen. Beobachtet wurde die Verschränkung zwischen benachbarten Atompaaren (blau), Atomdrillingen (rosa), Vierlingen (rot) und Fünflingen (gelb), bevor das System zu komplex wurde, um es mit bestehenden Techniken zu charakterisieren. (Bild: IQOQI Innsbruck / Harald Ritsch)

Quantenverschränkung ist eine zentrale Grundlage für neue Quantentechnologien. Nun präsentiert ein deutsch-österreichisches Team das bisher größte, verschränkte Quantenregister individuell kontrollierbarer Systeme aus insgesamt 20 Quantenbits.

Das Potential der neuen Quantentechnologien reicht von extrem präzisen Sensoren bis zum universellen Quantenrechner. Quanteninformationsverarbeitung benötigt jedoch eine große Anzahl von Quantenbits, um die Vorteile der Quantenphysik gegenüber klassischen Computern ausspielen zu können.

Nachdem sich in den letzten Jahren nicht nur Forschungsinstitute mit der Entwicklung von Quantensystemen beschäftigen, sondern auch Computergrößen wie Intel, IBM und Goolge (Alphabet) im Rennen um den ersten funktionsfähigen Quantenrechner mitmischen, hagelt es Rekorde.

Erst im Januar hatte Intel auf der CES in Las Vegas einen „Durchbruch“ in Sachen Quantencomputer vermeldet: Der Quanten-Testchip „Tangle Lake“ besitzt 49 Qubits und basiert auf dem bisherigen 17-Qubit-Ansatz des Unternehmens. Im März will Google den nächsten Rekord aufgestellt haben: ein System mit 72 Qubits. Wie auch das System von Intel, basiert dieser auf Supraleitenden Qubits und muss in der Nähe des absoluten Nullpunkts betrieben werden.

Die Systeme reagieren sehr empfindlich auf äußere Einflüsse, wie Temperatur- oder Spannungsschwankungen. Deswegen sind die Qubits auch nicht zwangsläufig miteinander verschränkt, also gekoppelt, dazu bleiben die Teilchen nicht lange genug im kohärenten Zustand – was jedoch zu Problemen mit den Fehlerraten führt. Verschränkung an sich ist nach den „DiVincenco criteria“ keine, der fünf Kriterien für einen Quantenrechner.

Kontrollierte Vielteilchenverschränkung in einem System aus 20 Quantenbits

Nun hat ein Team um Ben Lanyon und Rainer Blatt am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften gemeinsam mit Theoretikern der Universität Ulm und des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation in Wien kontrollierte Vielteilchenverschränkung in einem System aus 20 Quantenbits realisiert. Dabei konnten die Forscher echte Vielteilchenverschränkung zwischen allen benachbarten Gruppen von drei, vier und fünf Quantenbits nachweisen.

Verschränkte Teilchen können physikalisch nicht als einzelne Teilchen mit definierten Zuständen beschrieben werden, sondern nur als Gesamtsystem. Besonders schwierig wird es, Verschränkung zu verstehen, wenn zahlreiche Teilchen im Spiel sind. Hier muss zwischen der Verschränkung einzelner Teilchen und echter, genuiner Vielteilchenverschränkung unterschieden werden. Genuine Vielteilchenverschränkung kann nur als Eigenschaft des Gesamtsystems aller betreffenden Teilchen verstanden werden und nicht als Summe von Verschränkungen einzelner Quantenbits.

„Die Teilchen werden zunächst paarweise verschränkt“

Die Physiker am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation in Innsbruck haben nun in einem Ionenfallen-Experiment 20 Kalziumatome mit Hilfe von Laserlicht verschränkt und dabei beobachtet, wie sich die Vielteilchenverschränkung in diesem System dynamisch ausbreitet. „Die Teilchen werden zunächst paarweise verschränkt“, schildert Lanyon. „Mit den von unseren Kollegen in Wien und Ulm entwickelten Methoden können wir dann die weitere Ausbreitung der Verschränkung auf alle benachbarten Teilchendrillinge, die meisten Vierlinge und einige Fünflinge nachweisen.“

Diese Nachweismethoden wurden von der Arbeitsgruppe um Martin Plenio an der Universität Ulm und dem Team um Marcus Huber am IQOQI Wien entwickelt. „Wir haben dazu einen MacGyver-Ansatz gewählt“, sagt Erstautor Nicolai Friis schmunzelnd. „Wir mussten einen Weg finden, mit einer kleinen Anzahl von durchführbaren Messeinstellungen Vielteilchenverschränkung nachzuweisen.“

Die Forscher in Wien und Ulm beschritten sich ergänzende Wege: Die Gruppe um Huber und Friis nutzte eine Methode, die nur wenige Messungen erfordert und deren Ergebnisse sich leicht auswerten lassen. Damit konnte im Experiment die Verschränkung von jeweils drei Teilchen nachgewiesen werden.

Für konkrete Anwendungen wie Quantensimulationen oder Quanteninformationsverarbeitung

Die Ulmer Theoretiker verwendeten eine komplexere Technik, die auf numerischen Methoden beruht. „Diese Technik ist zwar effizient, stößt aber aufgrund des mit der Zahl der Quantenbits stark steigenden Rechenaufwands auch an ihre Grenzen“, sagt Oliver Marty aus der Forschungsgruppe von Martin Plenio. „Deshalb war auch mit dieser Methode beim Nachweis von echter Fünfteilchenverschränkung Schluss.“

„Es gibt Quantensysteme wie ultrakalte Gase, in denen Verschränkung zwischen einer großen Zahl von Teilchen nachgewiesen wurde“, betont Nicolai Friis. „Das Innsbrucker Experiment ist aber in der Lage, jedes einzelne Quantenbit individuell anzusprechen und auszulesen.“ Es eignet sich für konkrete Anwendungen wie Quantensimulationen oder Quanteninformationsverarbeitung.

Dafür will das Team um Rainer Blatt die Zahl der Quantenbits im Experiment weiter steigern. „Unser mittelfristiges Ziel liegt bei 50 Teilchen“, sagt er. „Damit könnten wir Aufgaben lösen, an denen die besten Supercomputer heute noch scheitern.“

Die für das Ionenfallenexperiment in Innsbruck entwickelten Methoden zum Nachweis der Quantenverschränkung werden breitere Anwendung finden, sind die Physiker in Ulm und Wien überzeugt. „Wir wollen die Grenzen unserer Methoden noch weiter ausloten“, sagen Friis und Marty. „Durch das Ausnutzen von Symmetrien und den Fokus auf bestimmte Observablen können wir diese Methoden weiter optimieren, um noch umfangreichere Vielteilchenverschränkung nachweisen zu können.“

Veröffentlicht wurde die Arbeit in der Fachzeitschrift Physical Review X. Die Forschungen wurden unter anderem vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und der Europäischen Union finanziell unterstützt.

Originalveröffentlichung:
N. Friis et al.: Observation of Entangled States of a Fully Controlled 20-Qubit System, Phys. Rev. X 8, 021012 – Published 10 April 2018

* Diesen Beitrag haben wir von unserem Partnerportal Elektronik Praxis übernommen.

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