Messung von Verschränkung vereinfacht

Forscher um den Quanten­physiker Peter Zoller aus Innsbruck haben ein Verfahren entwickelt, mit dem bisher kaum zugängliche Größen in Quanten­systemen messbar gemacht werden können. Die neue Methode zur Bestimmung des Quantenzustands in Quanten­simulatoren reduziert die Zahl der notwendigen Messungen und macht die Arbeit mit Quanten­simulatoren deutlich effizienter.

Mit einer neueren Generation von Quanten­simulatoren sind in wenigen Jahren Erkenntnisse zu erwarten, die mit Hilfe von Simulationen auf herkömmlichen Super­computern nicht möglich wären. Quanten­simulatoren sind in der Lage, sehr viel Information zu verarbeiten, weil sie eine enorm große Zahl an Bitzuständen quanten­mechanisch überlagern. Aus diesem Grund erweist es sich aber auch als schwierig, diese Informationen aus dem Quanten­simulator auszulesen. Um den Zustand rekons­truieren zu können, sind sehr viele einzelne Messungen nötig. Das Verfahren, mit dem der Quanten­zustand eines Quanten­simulators ausgelesen wird, nennt man Quanten­zustands-Tomographie. „Jede Messung liefert ein Schnittbild des Quantenzustands. Diese Schnitt­bilder setzt man dann zum kompletten Quanten­zustand zusammen“, erläutert der theoretische Physiker Christian Kokail aus dem Team von Peter Zoller am Institut für Quantenoptik und Quanten­information in Innsbruck.

Die Zahl der nötigen Messungen im Labor steigt mit der Größe des Systems sehr rasch an. „Die Anzahl der Messungen wächst expo­nentiell mit der Anzahl der Qubits“, so der Physiker. Den Inns­brucker Forschern ist es nun gelungen, ein deutlich effi­zienteres Verfahren für Quanten­simulatoren zu entwickeln. Erkenntnisse der Quanten­feldtheorie erlauben es, die Quanten­zustands-Tomographie wesentlich effizienter zu machen, also mit deutlich weniger Messungen durchzuführen. „Das Faszinierende daran ist, dass es von vornherein überhaupt nicht klar war, dass die Vorhersagen aus der Quantenfeld­theorie auf unsere Quanten­simulations­experimente übertragbar sind“, sagt Rick van Bijnen. „Das Studium älterer wissenschaftlicher Arbeiten aus diesem Feld hat uns zufällig auf diese Fährte geführt.“ Die Quantenfeld­theorie liefert das Grundgerüst des Quanten­zustandes im Quanten­simulator. Es sind dann nur noch wenige Messungen notwendig, um die Details in das Grundgerüst einzufügen.

Auf dieser Basis haben die Innsbrucker Forscher ein Mess­protokoll entwickelt, durch das die Tomographie des Quanten­zustands mit einer drastisch reduzierten Zahl von Messungen möglich wird. Gleichzeitig lassen sich mit dem neuen Verfahren neue Erkenntnisse über die Struktur des Quanten­zustandes gewinnen. Die Physiker haben das neue Verfahren mit experimentellen Daten eines Ionenfallen-Quantensimulators der Innsbrucker Forschungs­gruppe um Rainer Blatt und Christian Roos erprobt. „Dabei konnten wir nun Eigenschaften des Quanten­zustands messen, die zuvor nicht in dieser Qualität beobachtbar waren“, erzählt Kokail. 

Mit einem Verifizierungs­protokoll, das die Gruppe gemeinsam mit Andreas Elben und Benoit Vermersch vor zwei Jahren entwickelt hat, lässt sich überprüfen, ob die Struktur des Quanten­zustands tatsächlich mit den Erwar­tungen aus der Quantenfeldtheorie übereinstimmt. „Wir können mit weiteren, zufällig gewählten Messungen überprüfen, ob das von uns auf Basis der Theorie entwickelte Grundgerüst für die Tomographie tatsächlich passt oder völlig falsch ist“, sagt Christian Kokail. Das Protokoll zeigt eine rote Flagge, wenn das Gerüst nicht passt. Dies wäre für die Physiker freilich auch eine interes­sante Erkenntnis, denn es würde möglicherweise Hinweise für den noch nicht vollständig verstandenen Zusammen­hang mit der Quantenfeld­theorie liefern. Momentan arbeiten die Physiker um Peter Zoller an der Entwicklung von Quanten­protokollen, bei denen das Grundgerüst des Quanten­zustandes nicht auf einem klassischen Computer gespeichert, sondern direkt am Quanten­simulator realisiert wird.

IQOQI / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  C. Kokail et al.: Entanglement Hamiltonian tomography in quantum simulation, Nat. Phys., online 24. Juni 2021; DOI: 10.1038/s41567-021-01260-w
• AG Theorie (P. Zoller), Institut für Quantenoptik und Quanteninformation IQOQI, Innsbruck

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