17.02.2021

Rauschreduktion leicht gemacht

Verringerung von Quantenrauschen durch einfache Überlagerung von Pfaden möglich.

Quantenkommunikation und Quanten­informations­verarbeitung zählen zu den aktivsten Forschungs­gebieten der modernen Physik. Dabei werden Quanten­phänomene wie Quanten­überlagerung und -verschränkung zur Durchführung von Rechnungen oder zum Austausch von Informationen genutzt. Eine Reihe von Forschungs­gruppen auf der ganzen Welt haben Quanten­bauelemente hergestellt, die Berechnungen schneller als jeder klassische Computer durchführen können. Jedoch ist es noch ein langer Weg, bis diese Bau­elemente in einem marktfähigen Quanten­computer umgesetzt werden können.
 

Abb.: Ein Kommunikations­kanal durchquert Regionen mit Rauschen. Die...
Abb.: Ein Kommunikations­kanal durchquert Regionen mit Rauschen. Die Rausch­resistenz des Kanals wird durch die Verteilung der Information über mehrere Pfade in Quanten­überlagerung erhöht. (Bild: Aloop Visual & Science, U. Wien)

Einer der Gründe dafür ist, dass Quanten­effekte sehr fragil sind, so dass sich die Quanten­kommunikation sowie die Quanten­informations­verabeitung sofort verschlechtern, wenn diese Effekte zerstört werden. Der elementarste Ansatz, diese Einschränkungen zu überwinden, ist die Anwendung von Quanten-Fehler­korrektur­codes. Diese erfordert jedoch eine Menge an Ressourcen, die über das hinausgehen, was derzeit in einer kontrollierten Weise erreicht werden kann. Während die Fehler­korrektur auf lange Sicht vermutlich ein integraler Bestandteil künftiger Quanten­bauelemente sein wird, besteht ein komplementärer Ansatz darin, Rauschen – also die zunehmende Wirkung von unkorrigierten Fehlern – zu vermindern, ohne auf derart viele zusätzliche Ressourcen zurückgreifen zu müssen. Diese sind die Rausch­reduktions­schemata.

Ein neuer Ansatz in diese Forschungs­richtung wurde unlängst angeregt, um das Rauschen in einem Kommunikations­schema zwischen zwei Kommunikations­partnern zu reduzieren. Man stelle sich zwei Personen vor, die durch den Austausch eines Quantenteilchens miteinander kommunizieren wollen, allerdings muss das Teilchen über fehlerhafte Übertragungs­leitungen gesandt werden.

Ein Forschungsteam der Universität Hongkong schlug hierzu vor, dass eine allgemeine Rauschreduktion erreicht werden kann, indem man das Teilchen entlang einer Quanten­überlagerung von Pfaden durch Regionen mit Rauschen in entgegen­gesetzter Reihenfolge leitet. Während sich ein klassisches Teilchen nur entlang eines Pfades fortbewegen kann, kann sich ein Teilchen in der Quanten­mechanik entlang mehrerer Pfade gleichzeitig bewegen. Nutzt man diese Eigenschaft, um ein Teilchen entlang zweier Quantenpfade zu schicken, so kann man das Teilchen beispielsweise gleichzeitig in entgegengesetzter Reihenfolge durch die verrauschten Regionen führen. Dieser Effekt wurde in zwei unabhängigen Forschungs­arbeiten experimentell nachgewiesen. Die Ergebnisse legten nahe, dass es für eine Rausch­reduktion notwendig ist, die verrauschten Übertragungs­leitungen in eine Quanten­überlagerung entgegen­gesetzter Reihenfolge zu bringen. Kurz danach erkannten Forschungs­gruppen in Wien und in Grenoble, dass dieser Effekt auch über einfachere Konfigurationen erreicht werden kann, die sogar das Rauschen zwischen den beiden Kommunikations­partnern vollständig eliminieren können.

Alle diese Schemata wurden nun von einem Forschungsteam unter der Leitung von Philip Walther an der Universität Wien experimentell umgesetzt und einander gegenübergestellt. In dieser Arbeit wurden verschiedene Arten, zwei verrauschte Regionen in Quanten­überlagerung zu passieren, für eine Vielzahl von Rauscharten verglichen. Die experimentellen Ergebnisse werden auch von numerischen Simulationen gestützt, die die Studie auf allgemeine Rausch­arten ausweiten. Erstaunlicherweise stellten die Wissenschafter fest, dass die einfachsten Schemata für die Quanten­überlagerung von verrauschten Kanälen zugleich diejenigen sind, die das kommunikations­störende Rauschen am besten minimieren.

„Die Fehlerkorrektur in modernen Quanten­technologien gehört zu den dringlichsten Erfordernissen in der aktuellen Quanten­informations­verarbeitung und in Kommunikations­schemata. Unsere Arbeit zeigt, dass es zumindest im Fall der Quanten­kommunikation bereits mit den derzeit verwendeten Technologien möglich sein könnte, das Problem ohne die Notwendigkeit zusätzlicher Ressourcen zu mildern“, erläutert Giulia Rubino. Die Einfachheit der demonstrierten Technik ermöglicht den sofortigen Einsatz in der aktuellen Lang­strecken­kommunikation und verspricht potenzielle weitere Anwendungen in der Quanten­informations­verarbeitung und Quanten-Thermodynamik.

U. Wien / DE
 

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