Neues Werkzeug für komplexe Quantensimulationen

Viele Phänomene der Quantenwelt lassen sich im Labor nicht direkt unter­suchen und auch Super­computer scheitern beim Versuch, sie zu simu­lieren. Wissen­schaftler sind heute aber in der Lage, ver­schiedene Quanten­systeme im Labor sehr präzise zu kontrol­lieren. Diese können genutzt werden, um andere Quanten­systeme zu simu­lieren. Quanten­simula­toren gelten deshalb als eine der ersten konkreten Anwen­dungen der zweiten Quanten­revolution.

Als schwierig erweist sich allerdings noch die vollständige Charak­teri­sierung von großen und komplexen Quanten­zuständen, die für reale Simula­tionen not­wendig ist. Der aktuelle Gold­standard für Quanten­zustands­analysen im Labor – die Quanten­zustands-Tomo­graphie – eignet sich nur für kleine Quanten­systeme, denn mit zuneh­mender Größe steigt deren Aufwand exponen­tiell an. Jetzt haben Rainer Blatt von der Uni Inns­bruck und seine Kollegen erst­mals ein neues Ver­fahren im Labor etab­liert, mit dem sich auch komplexe Quanten­zustände effi­zient charak­teri­sieren lassen.

In Ionenfallen werden Teilchen auf Temperaturen nahe dem absoluten Null­punkt abge­kühlt und mit Hilfe von Lasern mani­pu­liert. Die Quanten­physiker der Uni Inns­bruck sind in diesem Bereich welt­weit führend und können heute in Ionen­fallen zwanzig und mehr Teil­chen mit­ein­ander ver­schränken. Um solche Quanten­systeme voll­ständig charak­teri­sieren zu können, benötigen sie neue Methoden. Hier kamen ihnen Theore­tiker um Martin Plenio von der Uni Ulm zu Hilfe. Sie haben 2010 ein neues Ver­fahren für die Charak­teri­sierung von komplexen Quanten­zuständen vor­ge­schlagen. Mit der Matrix-Produkt-Zustands-Tomo­graphie lässt sich der Zustand einer großen Gruppe von Quanten­systemen präzise abschätzen, ohne dass der Auf­wand mit zuneh­mender Größe dramatisch ansteigt. Gemeinsam mit den Teams um Plenio und Andrew Daley von der Univer­sity of Strath­clyde in Schott­land haben die Experi­mental­physiker der Uni Inns­bruck dieses Ver­fahren nun im Labor umge­setzt.

Als Testfall bauten die Forscher einen Quantensimulator mit bis zu 14 Quanten­bits, der zunächst in einem ein­fachen Ausgangs­zustand ohne Quanten­korrela­tionen präpa­riert wurde. In der Folge ver­schränkten die Forscher mit Laser­licht jeweils benach­barte Teil­chen und beob­achteten die dyna­mische Aus­brei­tung der Ver­schränkung im System. „Mit der Methode können wir den Quanten­zustand des Gesamt­systems bestimmen, indem wir nur einen kleinen Bruch­teil der System­eigen­schaften messen“, sagt Team-Mitglied Ben Lanyon. Die Charak­teri­sierung des globalen Quanten­zustands aus den Mess­daten über­nahmen die Theore­tiker um Plenio: „Das Ver­fahren basiert darauf, dass wir lokal ver­teilte Ver­schränkung theore­tisch sehr gut beschreiben und nun im Labor auch messen können.“

Als die Arbeitsgruppe von Rainer Blatt 2005 das erste Quanten­byte reali­sierte, waren für die Charak­teri­sierung des Quanten­zustands über sechs­tausend Messungen in einen Zeit­raum von zehn Stunden nötig. Mit der neuen Methode werden dafür nur noch 27 Messungen in rund zehn Minuten gebraucht. Jetzt wollen die Wissen­schaftler die Algo­rithmen so weiter­ent­wickeln, dass sie auch von anderen Forschungs­gruppen flexibel einge­setzt werden können.

Das neue Verfahren erlaubt die Charakterisierung von großen Quanten­viel­teil­chen­systemen im Labor und schafft damit auch eine Vergleichs­möglich­keit für Quanten­simula­tionen. „Wir können mit den Messungen Quanten­simu­latoren kali­brieren, indem wir sie mit analy­tischen Berech­nungen ver­gleichen“, erklärt Team-Mitglied Christian Roos. „Dann wissen wir, ob der Simu­lator das macht, was wir wollen.“ Die neue Methode bietet den Wissen­schaftlern ein Werk­zeug für viele Anwen­dungen und könnte ein neuer Standard für Quanten­simula­tionen werden.

U. Innsbruck / RK