Mario Berta und Kollegen messen Verschränkung präzise

Ludovico Lami von der Scuola Normale Superiore, Pisa, und QuSoft Amsterdam, RWTH-Professor Mario Berta vom Lehrstuhl für Quanteninformationstheorie und Bartosz Regula vom RIKEN stellen eine neuartige Methode zur Quantifizierung der starken Quantenkorrelationen vor. Da Quantenverschränkung Gesetzen folgt, die sich grundlegend von denen der klassischen Physik unterscheiden, ermöglicht sie neue Formen der Informationsverarbeitung. Quantencomputer könnten dadurch bei bestimmten Aufgaben exponentiell leistungsfähiger sein als herkömmliche Rechner. Einer der Gründe dafür ist, dass Quantenpartikel wesentlich stärker miteinander korreliert sein können als klassische Teilchen. Allerdings war es bisher schwierig zu erfassen, ob und wie stark solche Quantenkorrelationen tatsächlich vorliegen. Die neue Möglichkeit, sie erstmals präzise messen zu können, kann deshalb dazu beitragen, das Potenzial von Quantentechnologien für die Datenverarbeitung und Kommunikation zu erschließen.

Mario Berta

Quelle: RWTH / Andreas Schmitter

Berta und seine Kollegen nähern sich diesem langjährigen Problem der Quanteninformation aus einer völlig neuen Perspektive. Das Team hat eine Methode entwickelt, mit der sich die Stärke der Quantenverschränkung präziser messen lässt. Der Ansatz ist mehr als ein bloßer inkrementeller Fortschritt – er markiert einen Paradigmenwechsel: Bislang haben Forschende versucht, möglichst viele Teilchen zu messen und zu untersuchen, wie gut sich diese in perfekt verschränkte Quantenzustände überführen lassen. Dieser Fokus auf Quantität geht jedoch zulasten der Genauigkeit, mit der sich der Grad der Verschränkung bestimmen lässt. Die Forschenden verfolgen stattdessen einen anderen Ansatz: Sie konzentrieren sich auf die Qualität der gemessenen Verschränkung. Das neue Verfahren ermöglicht in bestimmten Situationen eine deutlich genauere Bestimmung der Quantenkorrelationen.

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Dieser Fortschritt basiert auf Arbeiten zu einem seit Langem bestehenden Problem in der Theorie der Quantenverschränkung, insbesondere zu einem Theorem, das als Quanten-Stein-Lemma bekannt ist. Das Theorem besagt, vereinfacht gesagt, dass Quantenverschränkung unter gewissen Annahmen reversibel wird – in Analogie zur Thermodynamik, in der Arbeit und Wärme idealisiert verlustfrei ineinander umgewandelt werden können. Die Beteiligten deckten eine Lücke in den bisherigen Beweisen des Lemmas auf, die später von anderen Forschenden in unabhängigen Arbeiten geschlossen werden konnte. [RWTH / dre]