Quantenbad synchronisiert entfernte Qubits

Verschränkung ist ein zentrales Merkmal der Quantenphysik, bei dem gemeinsame Korrelationen das übersteigen, was Theorien der klassischen Physik erklären können. Das Erreichen verteilter Verschränkung zwischen räumlich getrennten Quantenbits könnte Fortschritte wie skalierbare Quantencomputer und Quantennetzwerke ermöglichen.

Um entfernte Qubits zu verschränken, stützten sich frühere Ansätze auf zwei Protokolle. In einem Verfahren wird ein einzelnes, aktiv gesteuertes Photon von einem Qubit zum anderen gesendet. In einem zweiten Ansatz senden beide Qubits jeweils ein Lichtteilchen aus, und beide Photonen müssen übereinstimmen, um Verschränkung zu erzeugen. Obwohl die zweite Methode 2022 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde, erfordert sie viele wiederholte Messungen und Nachselektion, ohne die gewünschte Verschränkung zu garantieren.

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Revolutionäre der Quantenphysik

Nun haben Alejandro Andrés‑Juanes und Johannes Fink am ISTA gemeinsam mit Partner:innen in Deutschland und Spanien ein Quantenbad entwickelt, das den „Tanz“ entfernter Qubits selbständig synchronisiert. Durch die Entwicklung eines Prototyps, der eine gemeinsame Quelle korrelierter Lichtteilchen nutzt, um zwei entfernte Qubits zu verschränken, konnte das Team erstmals eine vor über zwanzig Jahren vorgeschlagene Theorie praktisch umsetzen.

Verschränkung tritt in unterschiedlichen Formen auf. Kontinuierliche („continuous‑variable“) verschränkte Zustände können effizient erzeugt werden und sind daher leicht verfügbar. Sie ähneln einem Pendel, dessen Position und Impuls sich stetig ändern. Die meisten Quantentechnologie-Anwendungen benötigen jedoch „diskrete“ Systeme – also ‚Alles‑oder‑Nichts‘-Formen der Verschränkung, mit denen stationäre Qubits interagieren können. Könnten also die ISTA‑Forscher:innen ein System entwickeln, das diese beiden Formen der Verschränkung überbrückt?

„In dieser Arbeit wollten wir die Lücke zwischen den leicht verfügbaren und den praktisch nützlichen Formen der Verschränkung schließen“, sagt Andrés‑Juanes. „Indem wir die verschränkten Zustände aus der Entfernung stabilisieren, ist unser Verfahren vollständig autonom und benötigt keine aktive Steuerung oder Messung.“

Eine der größten Herausforderungen bei Quantencomputer‑Anwendungen besteht darin, die Verschränkung und die sogenannte Quantenkohärenz der Qubits aufrechtzuerhalten. „In unserer Methode ist das Quantenbad – also die Umgebung der Qubits – selbst die Quelle der Verschränkung. Es erzeugt durch einen kontinuierlichen Strom korrelierter Photonen einen neuen Grundzustand“, erklärt Fink. „Auf diese Weise bleibt der verschränkte Qubit‑Zustand stabil – sogar über die eigene Lebensdauer der Qubits hinaus – und steht jederzeit als Ressource für weitere Quantenverarbeitung zur Verfügung. Das macht unseren Ansatz konzeptionell besonders interessant.“

Wenn die Verschränkung jederzeit verfügbar ist, können die Forschenden sie bei Bedarf abrufen – im Gegensatz zu kurzlebiger Verschränkung, die nur genutzt werden kann, wenn sie zufällig auftritt.

Um die Qubits mit der Quelle verschränkter Photonen interagieren zu lassen, verwendete das Team eine spezielle Art von Lichtteilchen – Mikrowellenphotonen. Diese niederenergetischen Lichtteilchen eignen sich besonders gut zur Manipulation von Quanteninformation und bilden die Grundlage der derzeit führenden supraleitenden Qubit‑Technologie. Optische Photonen hingegen werden meist in der Optik und Atomphysik eingesetzt. Zudem könnten optische Photonen künftig dabei helfen, Quanteninformationen über Glasfaserleitungen zwischen weit entfernten Quantencomputern zu übertragen – ein weiteres Forschungsgebiet der Forschungsgruppe Fink am ISTA.

Labor‑Prototyp des ISTA‑Teams als Machbarkeitsstudie

Quelle: ISTA

Um zu überprüfen, ob die Qubits innerhalb des Quantenbads tatsächlich synchron arbeiten, nutzte das Team eine Validierungsmethode, die als Quan­ten-Tomo­gra­phie bekannt ist – so genannt, weil sie ein System aus vielen einzelnen „Schnitten“ rekonstruiert. „Qubits können sich in einer Überlagerung von Zuständen befinden, aber all diese Zustände brechen zusammen, sobald wir die Qubits messen; übrig bleibt ein Ent­we­der-Oder-Zu­stand, also ein Zustand von 0 oder 1“, erklärt Andrés‑Juanes. Mithilfe der Quantentomographie konnte das Team Messungen im Bereich von zwanzig bis achtzig Nanosekunden durchführen, um die zugrunde liegenden Qubit‑Zustände zu untersuchen.

Mit dem Nachweis der Verschränkung zwischen zwei isolierten Qubits über ein Quantenbad hat das ISTA‑Team einen Labor‑Prototyp als Machbarkeitsstudie entwickelt. „Wir präsentieren eine relativ einfache Methode, die sich auf mehrere entfernte Qubits ausweiten lässt“, sagt Andrés‑Juanes. Während die Methode des Teams vielversprechende Ergebnisse zeigt, bleiben andere Ansätze mit aktiver Kontrolle der Qubit‑Zustände bisher effizienter. „Derzeit übertragen wir rund zehn Prozent der im Quantenbad verfügbaren Verschränkung.“

Die Forschenden betonen, dass die Theorie vor mehr als zwanzig Jahren unter idealisierten Bedingungen aufgestellt wurde – ein möglicher Grund, warum sie erst jetzt experimentell bestätigt werden konnte. „Unsere Experimente haben mehrere Faktoren offengelegt, die Forschende bislang daran gehindert haben könnten, ein funktionierendes Quantenbad mit einer einzigen Quelle korrelierter Photonen für verteilte Verschränkung zu entwerfen“, erklärt Fink. 

Der Prototyp des ISTA‑Teams könnte neue Wege für Experimente in der Quantenoptik eröffnen und zur Skalierung von Quantenprozessoren in Richtung fehlertoleranter Quanteninformatik beitragen. [ISTA / dre]