Quantenphysik

Neues Verfahren bei Messungen mit Hilfe von Quantensimulatoren

TIROL. Innsbrucker Forscher entwickelten neues Messverfahren zur Messung von einer größeren Zahl an Quantenteilchen in Quantensimulatoren.

Viele Quantenteilchen sind schwer messbar

Bisher konnten nur kleine Quantensysteme und ihre Eigenschaften gut erforscht werden. Sollen aber viele Teilchen und deren Verschränkungen untersucht werden, war dies bisher messtechnisch schwer möglich. „Um einen Quantensimulator aus zehn oder mehr Teilchen in unserem Labor betreiben zu können, müssen wir die Zustände des Systems möglichst genau charakterisieren“, erläutert Christian Roos vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften. Gerade die Beschreibung von Quantenzuständen mit der Quantenzustands-Tomographie braucht einen hohen Mess- und Rechenaufwand. Sie eignet sich nicht für Systeme mit über einem halben Dutzend Teilchen

Bessere Methoden zur Beschreibung komplexer Quantenzustände entwickelt

Bereits vor zwei Jahren präsentierte das  Forscherteam um Christian Roos eine effizientere Methode für die Charakterisierung komplexer Quantenzustände. Jedoch eignet sich auch diese Methode nur für schwach verschränkte Zustände. So ging die Entwicklung weiter. Das Team um Peter Zoller stellte im Vorjahr eine Methode vor, mit der beliebige Verschränkungszustände beschrieben werden können. Diese Methode wurde nun gemeinsam mit Rainer Blatt und Christian Roos im Labor vorgeführt. „Das neue Verfahren basiert auf der wiederholten Messung von zufällig gewählten Veränderungen von einzelnen Teilen des Systems.", so Nachwuchsphysiker Andreas Elben aus dem Team von Peter Zoller.

Demonstration des neuen Verfahrens in einem Quantensimulator

Das neue Verfahren wurde in einem Quantensimulator aus mehreren in einer Reihe aufgefädelten Ionen in einer Vakuumkammer durchgeführt. Durch Laserpulsen auf einzelne Teilchen werden sie zu einer Verschränkung angeregt. Durch ein Messprotokoll wird dann der Zustand beschrieben. Es soll möglich sein, das Verfahren auf mehrere Dutzend Teilchen anzuwenden. „Im Labor hilft uns dieses neue Verfahren sehr, weil wir so unseren Quantensimulator noch besser verstehen lernen und zum Beispiel die Reinheit der Verschränkung genauer beurteilen können“, so Christian Roos.
 

Publikation über das neue Verfahren

Die wissenschaftliche Arbeit über das neue Verfahren wurde in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht. Finanzielle Unterstützung der Forschung kam vom Europäischen Forschungsrat ERC und dem österreichischen Wissenschaftsfonds FWF.

Publikation: Probing Renyi entanglement entropy via randomized measurements. Tiff Brydges, Andreas Elben, Petar Jurcevic, Benoit Vermersch, Christine Maier, Ben P. Lanyon, Peter Zoller, Rainer Blatt, Christian F. Roos. Science 2019
DOI: https://doi.org/10.1126/science.aau4963

Weitere Informationen

Arbeitsgruppe „Quantum Optics and Spectroscopy” (Rainer Blatt)
Arbeitsgruppe „Quantum Optics Theory” (Peter Zoller)

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