Science
22.05.2018

Innsbrucker Physiker verbessern Quantensimulatoren

Eine vergleichsweise einfache Methode soll es möglich machen, die Verschränkung tausender Teilchen zu simulieren.

Die quantenmechanische Verschränkung ist eines der Schlüsselkonzepte von Quantencomputern. Innsbrucker Physiker schlagen nun im Fachjournal "Nature Physics" eine Methode vor, wie auch die Verschränkung einer großen Anzahl von Teilchen mit Hilfe von bereits existierenden Quantensimulatoren erforscht werden kann.

Bereits im Einsatz

Schon längst ist Quantentechnologie nicht mehr aus unserem Alltag wegzudenken - sei es in Form von Siliziumtransistoren im Mikroprozessor oder als Laser in der Telekommunikation, sie alle basieren auf Quanteneffekten. Während diese sogenannte "erste Quantenrevolution" abgeschlossen scheint, läuft gerade die zweite: Quantencomputern und Quantenkommunikation wird das Potenzial nachgesagt, unsere Welt abermals auf den Kopf zu stellen.

Das Herz dieser zweiten Revolution bildet die Quantenverschränkung. Von Albert Einstein einst noch als "spukhafte Fernwirkung" abgetan, stellt sie nicht nur die Grundlage für gegenwärtige und zukünftige Quantentechnologien dar, sondern liefert auch den Schlüssel zum Verständnis von Quantenmaterie. 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 voneinander befinden, beeinflussen Veränderungen an einem Teilchen auch den oder die Partner unmittelbar.

Komplexe Systeme schwer simulierbar

Während dieser Effekt für einige wenige Teilchen bereits gut untersucht ist, stellt die Erforschung von Systemen aus vielen Teilchen eine Herausforderung dar, die sich mit herkömmlichen Methoden nicht bewältigen lässt. "Die Komplexität solcher Systeme nimmt exponentiell mit der Anzahl ihrer Teilchen zu", erklärte Benoit Vermersch vom Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Akademie der Wissenschaften (ÖAW) gegenüber der APA. "Dadurch ist bereits ab einigen wenigen Teilchen die Grenze erreicht, ab der man sie mit klassischen Computern nicht mehr simulieren kann", so der Physiker, der gemeinsam mit Peter Zoller und Kollegen vom International Center for Theoretical Physics in Triest die aktuelle Arbeit verfasst hat.

Um diese Hürde zu überwinden, schlagen die Forscher nun anstelle von herkömmlichen Rechnern den Einsatz von Quantensimulatoren vor. Das sind kontrollierbare Quantensysteme, die dazu benutzt werden, andere Quantensysteme nachzuahmen.

Größtes Quantenregister

"Im Grunde geben wir eine Art Rezept vor, wie man die einzelnen Teilchen im Raum anordnen und miteinander verknüpfen muss, um auf einfache Weise die Verschränkung messen zu können", so Vermersch. Obwohl es sich bei der nun veröffentlichten Studie um eine rein theoretische Arbeit handelt, betont der Forscher die praktische Anwendbarkeit der neuen Methode: "Die nötigen Quantensimulatoren existieren bereits. Und wir wollen sie nutzen, um die Quantenverschränkung zu messen."

Ein Beispiel für einen solchen Quantensimulator sind in Ionenfallen gehaltene Atome, die mit Lasern manipuliert werden können. Die Innsbrucker Physiker haben erst kürzlich mit 20 individuell kontrollierbaren Ionen das bisher größte vollständig verschränkte Quantenregister hergestellt, mit dem sich Quantensysteme simulieren lassen.