Forscher der Universität Stuttgart haben gezeigt, dass die Schlüsselkomponente vieler Quantencomputer- und Kommunikationssysteme mit Effizienzen realisiert werden kann, die über allgemein anerkannte theoretische Obergrenzen hinausgehen, was neue Perspektiven für ein breites Spektrum photonischer Quantentechnologien eröffnet.

Die Quantenwissenschaft hat nicht nur unser Verständnis der Natur revolutioniert, sondern auch revolutionäre neue Geräte in den Bereichen Computer, Kommunikation und Sensoren inspiriert. Die Nutzung von Quanteneffekten in solchen „Quantentechnologien“ erfordert typischerweise eine Kombination aus fundiertem Wissen über die zugrunde liegenden Prinzipien der Quantenphysik, systematischen methodischen Fortschritten und intelligenter Technik. Und genau diese Kombination gelang Forschern aus der Gruppe von Professorin Stefanie Barz an der Universität Stuttgart und dem Center for Integrated Quantum Science and Technology (IQST) in einer aktuellen Studie, in der sie die Effizienz eines Wahrzeichengebäudes steigerten. Blockieren vieler Quantengeräte über ihre scheinbar inhärenten Grenzen hinaus.

Historische Grundlagen: von der Philosophie zur Technologie

Einer der Protagonisten auf dem Gebiet der Quantentechnologie ist die Eigenschaft der Quantenverschränkung. Die erste Phase der Entwicklung dieses Konzepts beinhaltete eine hitzige Debatte zwischen Albert Einstein und Niels Bohr. Kurz gesagt geht es in ihrer Argumentation darum, wie Informationen zwischen verschiedenen Quantensystemen ausgetauscht werden können. Es ist wichtig zu beachten, dass dies auf eine Weise geschehen kann, die in der klassischen Physik keine Entsprechung hat.

Die von Einstein und Bohr begonnenen Diskussionen blieben weitgehend philosophisch, bis der Physiker John Stewart Bell in den 1960er Jahren einen Weg fand, den Streit experimentell zu lösen. Das Bell-Gerüst wurde erstmals in Experimenten mit Photonen, Lichtquanten, erforscht. Drei Pioniere auf diesem Gebiet – Alain Aspect, John Clauser und Anton Zeilinger – wurden letztes Jahr gemeinsam mit dem Nobelpreis für Physik für ihre bahnbrechenden Arbeiten in der Quantentechnologie ausgezeichnet.

Bell selbst starb 1990, aber sein Name ist vor allem in den Bell-Staaten verewigt. Es beschreibt den Quantenzustand zweier stark verschränkter Teilchen. Insgesamt gibt es vier Bell-Zustände, und Bell-Zustandsmessungen – die bestimmen, in welchem ​​der vier Zustände sich ein Quantensystem befindet – sind ein wichtiges Werkzeug zum Üben der Quantenverschränkung. Am bekanntesten ist vielleicht, dass Bell-Zustandsmessungen ein Schlüsselelement der Quantenteleportation sind, die wiederum den Großteil der Quantenkommunikation und -berechnung ermöglicht.

Es gibt jedoch ein Problem: Wenn Experimente mit herkömmlichen optischen Elementen wie Spiegeln, Strahlteilern und Wellenplatten durchgeführt werden, haben zwei der vier Bell-Zustände identische experimentelle Eigenschaften und sind daher nicht voneinander zu unterscheiden. Dies bedeutet, dass die Gesamterfolgswahrscheinlichkeit (und damit die Erfolgsquote beispielsweise von Quantenteleportationsexperimenten) naturgemäß auf 50 % begrenzt ist, wenn nur „lineare“ optische Komponenten verwendet werden. Wo ist das?

Ein Schritt über die Grenzen hinaus: mit allem Drum und Dran

Hier kommt die Gruppenarbeit von Barz ins Spiel. Wie sie kürzlich im Journal berichteten Fortschritt der WissenschaftlerDie Doktoranden Matthias Bayerbach und Simone D’Aurelio führten Bell-State-Messungen durch, die eine Erfolgsquote von 57,9 Prozent erreichten. Aber wie erreichen sie Effizienzen, die mit den verfügbaren Tools sonst unerreichbar wären?

Ihre außergewöhnlichen Ergebnisse wurden durch die Verwendung zweier zusätzlicher Photonen neben den verschränkten Photonen ermöglicht. Photon Partner. Theoretisch ist bekannt, dass diese „Helfer“-Photonen eine Möglichkeit bieten, Bell-Zustandsmessungen mit einer Effizienz von mehr als 50 % durchzuführen. Eine experimentelle Umsetzung ist jedoch noch nicht möglich. Ein Grund dafür ist, dass hochentwickelte Detektoren erforderlich sind, um festzustellen, wie viele Photonen darauf treffen.

Bayerbach und D’Aurelio stellten sich dieser Herausforderung, indem sie 48 Einzelphotonendetektoren verwendeten, die nahezu perfekt synchronisiert arbeiteten, um den genauen Zustand von bis zu vier Photonen zu erfassen, die am Detektorarray ankommen. Mit dieser Fähigkeit konnte das Team unterschiedliche Photonenzahlverteilungen für jeden Bell-Zustand erkennen – obwohl es bei den beiden zunächst nicht unterscheidbaren Zuständen einige Überlappungen gab, weshalb die Effizienz selbst theoretisch 62,5 % nicht überschreiten kann. Allerdings wurde die 50-Prozent-Grenze überschritten. Darüber hinaus kann die Erfolgswahrscheinlichkeit prinzipiell bei nahezu 100 % liegen, allerdings auf Kosten einer größeren Anzahl zusätzlicher Photonen.

Gute Zukunftsaussichten

Darüber hinaus weisen die meisten anspruchsvollen Experimente Unvollkommenheiten auf, und diese Realität muss bei der Analyse von Daten und der Vorhersage, wie diese Techniken für größere Systeme funktionieren werden, berücksichtigt werden. Deshalb arbeiteten die Stuttgarter Forscher mit Professor Peter van Loock zusammen, einem Theoretiker an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und einem der Architekten von Bells Augmented State Measurement System. Sowohl Van Loock als auch Barz sind Mitglieder der vom BMBF geförderten PhotonQ-Kollaboration, die akademische und industrielle Partner aus ganz Deutschland zusammenbringt, die an der Realisierung eines bestimmten Typs eines photonischen Quantencomputers arbeiten. Ein verbessertes Bell-Zustandsmesssystem ist nun eines der ersten Ergebnisse dieser Zusammenarbeit.

Auch wenn die Effizienzsteigerung von 50 auf 57,9 Prozent bescheiden erscheint, bietet sie große Vorteile in Szenarien, die eine Reihe aufeinanderfolgender Messungen erfordern, beispielsweise in der Quantenkommunikation über große Entfernungen. Für eine solche Skalierung müssen lineare optische Plattformen im Vergleich zu anderen Ansätzen eine relativ geringe Instrumentenkomplexität aufweisen.

Methoden, wie sie derzeit von Barz‘ Gruppe entwickelt werden, erweitern unser Instrumentarium, um die Quantenverschränkung in der Praxis nutzbar zu machen – eine Möglichkeit, die in lokalen Quantengemeinschaften in Stuttgart und Baden-Württemberg unter dem Dach von Initiativen wie dem IQST-Langzeitprogramm intensiv erforscht wird. Die soeben vorgestellte befristete Forschungspartnerschaft und das Netzwerk QuantumBW.

Diese Arbeit wurde von der Carl-Zeiss-Stiftung, Center for Integrated Quantum Science and Technology (IQ.) unterstützt^ST), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (Projekte BMBF, SiSiQ und PhotonQ) und dem Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (Projekt BMWK, PlanQK).