17.01.2023

Quantensysteme präziser vermessen

Verschränkung reduziert störende Einflüsse durch Rauschen.

Messungen sind nicht gleich Messungen. Während sich Gegenstände des Alltags noch recht einfach hinsichtlich Größe, Gewicht und Beschaffen­heit vermessen lassen, so sieht es doch ganz anders aus, wenn winzige Quanten­objekte wie etwa Photonen auf ihre Eigenschaften hin betrachtet werden sollen. Einem inter­nationalen Forschungsteam ist es nun gelungen, eine neue Messmethode zu entwickeln, die hoch­präzise Messungen selbst in diesen winzigen Systemen ermöglichen. Zu diesem Zweck machen sich die Forschenden die Verschränkung von Quanten­objekten zu Nutze.

Abb.: Mit dieser integrierten Quelle für einzelne Photonen wurden die...
Abb.: Mit dieser integrierten Quelle für einzelne Photonen wurden die neuartigen Präzisionsmessungen durchgeführt. (Bild: Fh.-IOF)

Werden die zwei miteinander verschränkten Teilchen gemessen, so können deren Eigen­schaften exakter bestimmt werden, als wenn jedes Objekt für sich allein gemessen worden wäre, so die Erkenntnis der Forschenden. „Messaufgaben, etwa in der Interferometrie, können mit verschränkten Zuständen sehr viel präziser gemacht werden“, erklärt Falk Eilenberger vom Fraunhofer IOF. „Bei der Messung jeder Eigenschaft eines Quantensystems ist ein gewisses Rauschen unvermeidlich. Durch die Ver­schränkung der beiden Systeme können wir dieses Rauschen reduzieren und somit eine genauere Messung erzielen.“

Die Gruppe testete ihre Theorie an 19 verschiedenen Quantencomputern, darunter auch Deutschlands erster Quantenrechner, der Fraunhofer-IBM-Quanten­computer QSystemOne. „Der Rechner in Ehning war essenziell für unsere Arbeit“, erläutert Eilen­berger. „Wir konnten die Maschine besonders genau kalibrieren, was für eine Präzisions­messung absolut notwendig ist.“ Mithilfe des Experiments auf dem Quantencomputer sowie einer Einzelphotonen­quelle konnten die Forscher die physikalischen Grenzen des Rauschens erreichen und den Quantenvorteil einer verschränkten Messung demonstrieren. Die neue Methode ermöglicht damit Messungen von einer in der Praxis noch nie da gewesener Präzision: „Bis dato gab es zum Rauschen bei Messungen mit verschränkten Systemen nur theoretische Vorhersagen zu Grenzen“, sagt Tobias Vogl. „Wir zeigen nun einen konkreten Weg auf, diese Grenze zu erreichen und demonstrieren damit, dass sie mit Einzelphotonen­quellen und Quantencomputern erreichbar ist.“

Die Forscher hoffen eines Tages sogar drei oder mehr Quantensysteme miteinander verschränken zu können. Auf diese Weise wäre perspekti­visch eine noch höhere Präzision der Messung möglich. Besondere Anwendungs­potenziale für die neuesten Forschungsergebnisse ergeben sich in der Inter­ferometrie. Interferometer haben zahlreiche Anwendungen in der Industrie, allem voran in der Präzisions­fertigung von Halbleitern sowie von optischen Komponenten. Langfristig betrachtet ist es laut der Forschenden aber auch denkbar, dass die neue Technologie bei der Rausch­unterdrückung für Funksignale (6G) oder bei der Untersuchung biologischer Proben im Rahmen der Mikroskopie zum Einsatz kommt.

Die Arbeit leuchtet dabei insbesondere den Zusammenhang zwischen Interferometrie und Quanten­computern deutlich aus. Sie zeigt, dass Konzepte aus beiden Welten zum jeweiligen Nutzen in die andere transferiert werden können. „Damit etablieren wir Quanten­computer als Maschinen zum Präzisions­test fundamentaler physikalischer Grenzen und Gesetz­mäßigkeiten“, so Eilenberger.

Fh.-IOF / JOL

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