Messungen können das Verhalten eines Quantensystems dramatisch verändern. Wissenschaftler untersuchen dieses Phänomen, um seine Auswirkungen auf die Verteilung und Organisation von Daten in Quantencomputern zu verstehen.
Die Quantenmechanik ist voller seltsamer Phänomene, aber vielleicht ist keines so seltsam wie die Rolle, die die Messung in der Theorie spielt. Da eine Messung dazu neigt, die „Quantenkraft“ eines Systems zu zerstören, scheint sie die mysteriöse Verbindung zwischen der Quantenwelt und der klassischen Welt zu sein.
Darüber hinaus können die Auswirkungen von Messungen beim Umgang mit einem riesigen System von Quantendateneinheiten, den sogenannten „Qubits“, zu völlig unterschiedlichen Ergebnissen führen und sogar die Entstehung völlig neuer Phasen der Quanteninformation vorantreiben.
Dies geschieht, wenn zwei konkurrierende Effekte aufeinandertreffen: Interaktionen und Messung. Wenn die Qubits in einem Quantensystem miteinander interagieren, werden ihre Informationen nichtlokal in einem „verschränkten Zustand“ ausgetauscht.
Aber wenn man das System misst, wird die Verschränkung zerstört. Der Kampf zwischen Messung und Wechselwirkungen führt zu zwei unterschiedlichen Phasen: einer, in der Wechselwirkungen dominieren und die Verschränkung weit verbreitet ist, und einer, in der Messungen dominieren und die Verschränkung unterdrückt wird.
Bahnbrechende Forschung in Quantenphasen
In einer kürzlich veröffentlichten Studie inNatur, Forscher beiUndhaben den Übergang zwischen diesen beiden Regimen – bekannt als „messinduzierter Phasenübergang“ – in einem System von bis zu 70 Qubits beobachtet.
Dies ist mit Abstand das größte System, in dem messinduzierte Effekte untersucht wurden. Die Forscher sahen auch Anzeichen einer neuartigen Form der „Quantenteleportation“ – bei der ein unbekannter Quantenzustand von einem Qubit-Satz auf einen anderen übertragen wird – die als Ergebnis dieser Messungen entsteht. Diese Studien könnten dazu beitragen, neue Techniken zu inspirieren, die für nützlich sindQuantencomputing.
Verstrickung visualisieren
Man kann sich die Verschränkung in einem System von Qubits als ein komplexes Netz von Verbindungen vorstellen. Wenn wir ein verschlungenes System messen, hängt die Auswirkung, die es auf das Netz hat, von der Stärke der Messung ab. Es könnte das Netz vollständig zerstören oder bestimmte Stränge des Netzes abschneiden und beschneiden, andere jedoch intakt lassen.
Dieses Netz der Verschränkung in einem Experiment tatsächlich zu sehen, ist bekanntermaßen eine Herausforderung. Das Netz selbst ist unsichtbar, daher können Forscher nur auf seine Existenz schließen, indem sie statistische Korrelationen zwischen den Messergebnissen von Qubits sehen.
Es sind viele, viele Durchläufe desselben Experiments erforderlich, um auf das Muster des Netzes zu schließen. Diese und andere Herausforderungen haben frühere Experimente geplagt und die Untersuchung messinduzierter Phasenübergänge auf sehr kleine Systemgrößen beschränkt.
Bewältigung experimenteller Herausforderungen
Um diese Herausforderungen zu bewältigen, nutzten die Forscher einige experimentelle Tricks. Erstens ordneten sie die Reihenfolge der Vorgänge neu, sodass alle Messungen am Ende des Experiments durchgeführt werden konnten und nicht durchgehend verschachtelt waren, wodurch die Komplexität des Experiments verringert wurde. Zweitens entwickelten sie eine neue Methode, um bestimmte Merkmale des Netzes mit einem einzigen „Sonden“-Qubit zu messen.
Auf diese Weise konnten sie in weniger Versuchsdurchläufen als bisher erforderlich mehr über das Verschränkungsnetz erfahren. Schließlich war die Sonde, wie alle Qubits, anfällig für unerwünschtes Rauschen in der Umgebung.
Dies wird normalerweise als eine schlechte Sache angesehen, da Rauschen Quantenberechnungen stören kann, aber die Forscher machten diesen Fehler zu einer Funktion, indem sie feststellten, dass die Empfindlichkeit der Sonde gegenüber Rauschen von der Art des sie umgebenden Verschränkungsnetzes abhing. Sie könnten daher die Rauschempfindlichkeit der Sonde nutzen, um auf die Verschränkung des Gesamtsystems zu schließen.
Wichtige Beobachtungen und Implikationen
Das Team untersuchte zunächst diesen Unterschied in der Geräuschempfindlichkeit der beiden Verschränkungsregime und stellte deutlich unterschiedliche Verhaltensweisen fest. Wenn die Messungen über die Wechselwirkungen dominierten (die „Entwirrungsphase“), blieben die Netzstränge relativ kurz.
Das Sonden-Qubit reagierte nur auf das Rauschen seiner nächsten Qubits. Wenn dagegen die Messungen schwächer waren und die Verschränkung weiter verbreitet war (die „Verschränkungsphase“), reagierte die Sonde im gesamten System empfindlich auf Rauschen. Der Übergang zwischen diesen beiden stark gegensätzlichen Verhaltensweisen ist ein Zeichen für den gesuchten messinduzierten Phasenübergang.
Das Team demonstrierte außerdem eine neuartige Form der Quantenteleportation, die auf natürliche Weise aus den Messungen hervorging: Durch die Messung aller bis auf zwei entfernten Qubits in einem schwach verschränkten Zustand wurde eine stärkere Verschränkung zwischen diesen beiden entfernten Qubits erzeugt. Die Fähigkeit, messinduzierte Verschränkung über weite Distanzen zu erzeugen, ermöglicht die im Experiment beobachtete Teleportation.
Die Stabilität der Verschränkung gegenüber Messungen in der Verschränkungsphase könnte neue Konzepte inspirieren, um Quantencomputer robuster gegenüber Rauschen zu machen. Auch die Rolle, die Messungen bei der Entwicklung neuer Phasen und physikalischer Phänomene spielen, ist für Physiker von grundlegendem Interesse.
Vedika Khemani, Professorin an der Stanford University und Co-Autorin der Studie, sagt: „Die Einbeziehung von Messungen in die Dynamik eröffnet einen völlig neuen Spielplatz für die Vielteilchenphysik, auf dem viele faszinierende und neue Arten von Nichtgleichgewichtsphasen gefunden werden könnten. Wir untersuchen in dieser Arbeit einige dieser auffälligen und kontraintuitiven, durch Messungen hervorgerufenen Phänomene, aber es gibt in Zukunft noch viel mehr zu entdecken.“
Referenz: „Messungsinduzierte Verschränkung und Teleportation auf einem lauten Quantenprozessor“ von Google Quantum AI und Mitarbeitern, 18. Oktober 2023,Natur.
DOI: 10.1038/s41586-023-06505-7
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