Quantenphysiker haben endlich etwas erreicht, das auf ihrer To-do-Liste seit über zwei Jahrzehnten stand: Sie haben eine bestimmte Art von Mehrphotonen-Verschränkung im Labor gemessen. Die Arbeit stammt von Wissenschaftlern der Kyoto Universität und der Hiroshima Universität und könnte Quantentechnologien deutlich einfacher zu bauen machen.
Die Leistung ist ein echter Meilenstein. Seit über 25 Jahren können Forscher eine Art verschränkten Zustands messen, aber nicht eine andere. Nun ist dies abgeschlossen.
Das Problem der Quantenmessung
Quantenverschränkung ist seltsam. In einem verschränkten System verlieren Teilchen ihre individuelle Identität und verhalten sich wie eine Einheit. Messen Sie ein Teilchen, und Sie wissen etwas über das andere, selbst wenn es Lichtjahre entfernt ist. Das widerspricht der klassischen Physik, weshalb Albert Einstein es berühmt fand, problematisch zu sein.
Die Messung von Verschränkung ist schwierig. Eine gängige Methode ist die Quantentomographie, die viele Messungen beinhaltet und dann die Ergebnisse zusammensetzt. Das Problem ist, dass die benötigte Datenmenge exponentiell mit der Anzahl der Teilchen wächst. Fügen Sie ein paar Photonen hinzu, und die Arbeitslast explodiert.
Es gibt einen besseren Weg. Anstatt eine riesige Menge an Messungen zu sammeln, können Sie eine intelligente Messung durchführen, die Ihnen mitteilt, was das System tut. Wissenschaftler waren in der Lage, dies für eine berühmte Art von verschränkten Zustand zu tun, den GHZ-Zustand. Aber niemand hatte es für einen anderen wichtigen Zustand, den W-Zustand, geschafft.
Bis jetzt.
Shigeki Takeuchis Drei-Photonen-Durchbruch
Das Kyoto-Team konzentrierte sich auf den W-Zustand. Der W-Zustand ist ein verschränkter Zustand, bei dem die Photonen eine bestimmte Art von Korrelation teilen, und er steht im Mittelpunkt vieler Quantoprotokolle. Das Schlüssel-Ermitteln des Teams war die Verwendung einer mathematischen Eigenschaft des W-Zustands, der zyklischen Shiftsymmetrie.
Einfach ausgedrückt können die Photonen in einem W-Zustand in einem sich wiederholenden Zyklus gedreht werden, ohne das zugrunde liegende Muster zu verändern. Das Team baute eine photonische Quantenschaltung, die eine Quanten-Fourier-Transformation durchführt, eine mathematische Operation, die Quanteninformationen neu ordnet. Diese Transformation enthüllte die verborgene Struktur des W-Zustands.
Die Forscher testeten ihre Idee mit drei Photonen. Sie schickten einzelne Photonen mit sorgfältig ausgewählten Polarisationszuständen in das Gerät, und das System unterschied zwischen verschiedenen Arten von drei-Photonen-W-Zuständen. Jeder Zustand repräsentiert eine bestimmte nicht-klassische Korrelation, die die drei eingehenden Photonen teilen.
Sie machten auch die Fidelity der verschränkten Messung. Fidelity sagt Ihnen, wie zuverlässig ein Quantensystem seine vorgesehene Aufgabe erfüllt. In diesem Fall ist es die Wahrscheinlichkeit, dass das Gerät das richtige Ergebnis liefert, wenn ein reiner W-Zustands-Eingang gegeben wird.
Was das für die Quantentechnologie bedeutet
Die Messung könnte mehrere Bereiche beschleunigen. Quantenteleportation beispielsweise stützt sich auf Verschränkung, um Quanteninformationen von einem Ort zum anderen zu bewegen. Der neue Messansatz könnte diesen Prozess schneller und zuverlässiger machen.
Die Technik könnte auch bei Quantenkommunikationsprotokollen helfen, die mehrphotonische verschränkte Zustände übertragen. Und sie könnte die messungsbasierte Quantenberechnung unterstützen, bei der Berechnungen durch die Manipulation verschränkter Zustände durchgeführt werden.
Shigeki Takeuchi, der entsprechende Autor, brachte die Bedeutung auf den Punkt. „Mehr als 25 Jahre nach der ersten Ausarbeitung der verschränkten Messung für GHZ-Zustände haben wir endlich die verschränkte Messung für den W-Zustand ebenfalls erhalten, mit einer echten experimentellen Demonstration für 3-Photonen-W-Zustände“, sagte er.
Er betonte auch die Bedeutung der Grundlagenforschung. „Um die Forschung und Entwicklung von Quantentechnologien zu beschleunigen, ist es entscheidend, unser Verständnis grundlegender Konzepte zu vertiefen, um innovative Ideen zu entwickeln“, sagte er.
Von Drei Photonen zu Vielen
Die aktuelle Demonstration funktioniert mit drei Photonen. Das Team plant, hochzuskalieren. Ihr langfristiges Ziel ist es, die Methode auf größere und allgemeinere mehrphotonische Quantenverschränkungszustände anzuwenden.
Sie wollen auch auf-Chip-Photonik-Quantenschaltkreise bauen, die in der Lage sind, verschränkte Messungen durchzuführen. Das würde die Technologie kompakter und einfacher in zukünftige Quantensysteme integrieren.
Hier ist, woran das Team als Nächstes arbeitet:
- Hochskalierung der Technik auf größere Quantensysteme
- Die Entwicklung von photonischen Quantenschaltkreisen auf dem Chip für verschränkte Messungen
- Die Anwendung der Methode auf allgemeinere Mehrphotonen-Zustände
| Vergleich | GHZ-Zustand | W-Zustand |
|---|---|---|
| Messstatus | Bereits demonstriert | Gerade demonstriert |
| Schlüssel-Eigenschaft | Nicht im Quelltext spezifiziert | Zyklische Shift-Symmetrie |
| Anwendungsfälle | Nicht spezifiziert in der Quelle | Quantenteleportation, Berechnung |
Der Unterschied zwischen den beiden Zuständen ist von Bedeutung. Das Team in Kyoto hat gezeigt, dass der W-Zustand messbar ist.
Die Straße vor uns
Die Arbeit des Teams in Kyoto schließt eine bedeutende Lücke in der Quantenphysik. Sie zeigt, dass Messverfahren, die für eine Art von Verschränkung funktionieren, auf andere angepasst werden können.
Der nächste Schritt ist die Skalierung. Drei Photonen sind ein Proof of Concept.
Die Forschung wurde 2025 in Science Advances veröffentlicht. Der Artikel trägt den Titel „Entangled measurement for W states.“ Die Autoren sind Geobae Park, Holger F. Hofmann, Ryo Okamoto und Shigeki Takeuchi.
Der Messansatz ist ein Werkzeug, kein fertiges Produkt. Aber Werkzeuge wie dieses ermöglichen die fertigen Produkte. Das Team in Kyoto hat gezeigt, dass der W-Zustand messbar ist, und das verändert, was Ingenieure bauen können.
Der Weg von drei Photonen zu vielen ist lang, aber er beginnt irgendwo. Das Team in Kyoto hat damit begonnen.
Quellenmaterial: „Quantenteleportations-Durchbruch: Wissenschaftler knacken 25-jährige Verschränkungs-Herausforderung“, ScienceDaily.
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