Quantenkorrelationen im Tank
Freiburger Quantenphysiker liefern neue Einsichten in die Funktionsweise von leistungsfähigeren Rechenmaschinen
Manuel Gessner/Universität Freiburg
Bei Quantenkorrelationen handelt es sich um die wechselseitige Bedingtheit der lokalen Eigenschaften von so genannten Quantenbits. Letztere sind die Einzelteile eines Quantencomputers und unterliegen hinsichtlich ihrer Eigenschaften dem quantenmechanischen Prinzip der Unschärfe. Dies besagt, dass eine Messung an einem einzelnen Quantenbit ein zufälliges, nur statistisch prognostizierbares Ergebnis liefert. Stellt man sich ein Quantenbit als Kugel vor, deren Farbe oder Musterung zu messen ist, so 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. Die Physiker aus Freiburg und Berkeley haben nun gezeigt, dass das nicht notwendig ist: Tatsächlich genügt 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.
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