Quantenverschränkung auf den Kopf gestellt

Mit einer überraschend einfachen Idee ermöglichen Wissen­schaftler aus Italien und Öster­reich die Unter­suchung von Quanten­ver­schrän­kung sehr vieler Teil­chen. Anstatt tief in den Charak­teris­tika der Wellen­funk­tionen – die experi­men­tell nur sehr schwer zugäng­lich sind – zu graben, schlagen sie vor, physi­ka­lische Systeme zu reali­sieren, die durch den zuge­hörigen Ver­schrän­kungs-Hamilton­operator beschrieben sind. Auf diese Weise werden die Ver­schrän­kungs­eigen­schaften des ursprüng­lichen Systems über bereits etab­lierte Werk­zeuge zugäng­lich. Diese radikal neue Methode könnte helfen, Quanten­materie besser zu ver­stehen und damit auch den Weg zu neuen Quanten­techno­logien zu öffnen.

Quantenverschränkung bildet das Herz der zweiten Quanten­revolu­tion, sie liefert den Schlüssel zum Ver­ständnis von Quanten­materie und stellt die Grund­lage für gegen­wärtige und zukünf­tige Quanten­techno­logien dar. Ver­schränkte Teil­chen können physi­ka­lisch nicht als ein­zelne Teil­chen mit defi­nierten Zuständen beschrieben werden, sondern nur als Gesamt­system. Selbst wenn sich ver­schränkte Teil­chen in sehr großer Ent­fernung zuein­ander befinden, beein­flussen Ver­ände­rungen an einem Teil­chen auch den oder die Partner unmit­tel­bar. Die Ver­schrän­kung ein­zelner Teil­chen – seien es Photonen, Atome oder Mole­küle – gehört heute im Labor zum All­tag. In der Viel­teilchen­physik wird Ver­schrän­kung typischer­weise durch das Ver­schrän­kungs­spektrum beschrieben: Es erfasst wesent­liche Eigen­schaften eines kollek­tiven Quanten­phänomens, wie die topo­lo­gische Ordnung, und erlaubt gleich­zeitig die Quanti­fizie­rung der Quanten­eigen­schaften eines gegebenen Zustands, also wie schwierig es ist, diesen mit einem klassi­schen Computer zu berechnen.

Trotz ihrer Bedeutung stoßen die experimentellen Methoden zur Messung des Ver­schrän­kungs­spektrums schnell an ihre Grenzen – bis heute wurden diese Spektren nur in Systemen mit wenigen Quanten­bits gemessen. Für eine größere Anzahl von Teil­chen war eine ähn­liche Messung bisher unmög­lich, da der Auf­wand mit den ver­wen­deten Tech­niken mit der Teil­chen­zahl exponen­tiell zunimmt. „Es ist heute extrem schwierig, ein Experi­ment mit mehr als einigen wenigen Teil­chen durch­zu­führen und dabei konkrete Aus­sagen über deren Ver­schrän­kungs­spektrum zu machen“, erklärt Marcello Dalmonte vom Inter­national Center for Theore­tical Physics in Triest. Gemein­sam mit Peter Zoller und Benoît Ver­mersch von der Univer­sität Inns­bruck und dem Institut für Quanten­optik und Quanten­infor­ma­tion der Öster­reichi­schen Aka­demie der Wissen­schaften hat er nun einen über­raschend ein­fachen Weg gefunden, wie Ver­schrän­kungs­spektren direkt unter­sucht werden können. Dazu stellen die Forscher das Konzept der Quanten­simu­la­tion quasi auf den Kopf, indem nicht mehr ein bestimmtes physi­ka­lisches System im Quanten­simu­lator nach­empfunden wird, sondern dessen Ver­schrän­kungs-Hamilton­operator direkt simu­liert wird.

„Anstatt im Labor mit einem Quantensimulator ein bestimmtes Problem zu simu­lieren und dann zu ver­suchen, die Ver­schrän­kungs­eigen­schaften des reali­sierten Zustands zu messen, schlagen wir vor, den Spieß einfach umzu­drehen und den ent­spre­chenden Ver­schrän­kungs-Hamilton­operator direkt zu reali­sieren. Das schafft unmit­tel­baren und ein­fachen Zugang zu den Ver­schrän­kungs­eigen­schaften wie dem Ver­schrän­kungs­spektrum“, erklärt Dalmonte. „Diesen Ver­schrän­kungs-Hamilton­operator im Labor zu unter­suchen, ist konzep­tuell und prak­tisch ähn­lich ein­fach, wie Viel­teil­­chen­spektren zu messen, was eine etab­lierte Routine im Labor ist.“ Darüber hinaus sind dieser Methode auch in Hin­blick auf die Größe des Quanten­systems kaum Grenzen gesetzt. Das könnte auch die Unter­suchung von Ver­schrän­kungs­spektren in Viel­teil­chen­systemen erlauben, die mit klassi­schen Computern eine enorme Heraus­forde­rung dar­stellt. Dalmonte, Ver­mersch und Zoller machen konkrete Vor­schläge zur Umset­zung auf einer Reihe von experi­men­tellen Platt­formen, wie atomaren Systemen, gefan­genen Ionen und auch Fest­körper­systemen basie­rend auf supra­lei­tenden Quanten­bits.

U. Innsbruck / RK