Quantenkorrelationen in der Falle

  • 20. December 2013

Experiment an gefangenem Ion liefert neue Einsichten in die Funktionsweise von Quantencomputern.

Quantencomputer verdanken ihre Rechenstärke einem besonderen, schwer fassbaren Kraftstoff, der nur in der Quantenwelt fließt: Quantenkorrelationen. Die Freiburger Physiker Manuel Gessner, Heinz-Peter Breuer und Andreas Buchleitner haben zusammen mit Wissenschaftlern der University of California in Berkeley/USA gezeigt, wie sich Quantenkorrelationen effizient nachweisen lassen.

Falschfarbendarstellung des Maßes an Quantenkorrelationen

Abb.: Falsch­farben­darstel­lung des Maßes an Quanten­korre­lationen, die dem geladenen Quanten­teil­chen im Experi­ment ein­geschrie­ben wurden. Der Grad der Quanten­korre­lation nimmt von Dunkel­blau nach rot zu. (Bild: M. Gessner, ALU)

Bei Quantenkorrelationen handelt es sich um die wechselseitige Bedingtheit der lokalen Eigenschaften der Quantenbits. Deren Unschärfe führt zu zufälligen, nur statistisch prognostizierbaren Ergebnissen bei Messungen an einem einzelnen Quantenbit. Stellt man sich dieses als Kugel vor, deren Farbe oder Musterung zu messen ist, ergibt eine einzelne Messung beispielsweise gestreift oder kariert, rot oder grün. Quantenkorrelationen äußern sich nun so, dass die Messergebnisse an einem einzelnen Quantenbit für sich jeweils unvorhersagbar sind, der Vergleich der Ergebnisse an zwei getrennten Quantenbits aber streng korreliert sein kann: Ist das eine Teilchen gestreift, hat das andere Karos. Ist das eine rot, leuchtet das andere grün. Diese Eigenschaft gibt es nur in der Quantenwelt und ist eine Konsequenz des Superpositionsprinzips. Ihr verdanken Quantencomputer ihre Rechenkraft.

Für den Rechnerbetrieb ist es wichtig, verlässlich sagen zu können, wie viel von diesem kostbaren Saft ein Quantencomputer noch im Tank hat. Dies gilt jedoch als schwierige Frage: Bisher ging die Forschungsgemeinde davon aus, hierfür den Gesamtzustand der Maschine genau kennen und die Maschine in ihre Einzelteile zerlegen zu müssen. Den Physikern aus Freiburg und Berkeley zufolge ist das jedoch nicht notwendig: Tatsächlich genüge es, lediglich wenige Komponenten der Quantenmaschine über eine endliche Zeitspanne zu beobachten und diese Zeitentwicklung mit der eines geeignet präparierten Referenzzustandes zu vergleichen.

Diese konzeptionelle Einsicht wurde in einem hochpräzisen Experiment an einem geladenen Quantenteilchen nachgewiesen. Zudem konnten die Wissenschaftler zeigen, dass ihr Ansatz auch für die Analyse komplexerer Quantenregister, in denen Quantenbits gespeichert werden, nutzbar ist. Die Möglichkeit, von einem Teil auf eine wesentliche Eigenschaft des Ganzen schließen zu können, befeuert die Hoffnung, auch die Komplexität großer Quantenregister in den Griff zu bekommen.

ALU / OD

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