Eine neue Methode deckt verborgene Ordnung in Quantensystemen auf und verändert möglicherweise die Art und Weise, wie sie gemessen und verwendet werden.
Eine seit langem bestehende Herausforderung in der Quantenphysik könnte endlich eine praktische Lösung finden. Forscher in Japan haben eine neue Methode zur Identifizierung komplexer Quantenzustände in einem einzigen Schritt entwickelt und damit möglicherweise einen der größten Engpässe beim Aufbau realer Quantentechnologien beseitigt.
Der Fortschritt konzentriert sich auf eine bestimmte Art der Verschränkung, die als W-Zustand bekannt ist. Im Gegensatz zu anderen bekannten Quantenzuständen sind W-Zustände widerstandsfähiger. Selbst wenn ein Teilchen verloren geht, können die verbleibenden Teilchen verwickelt bleiben. Das macht sie besonders attraktiv für Quantenkommunikationssysteme, bei denen Verluste unvermeidbar sind.
Warum W-Zustände schwer zu messen sind
Trotz ihrer Vorteile waren W-Zustände schwierig zu messen. Herkömmliche Methoden basieren auf der Quantentomographie, die eine große Anzahl wiederholter Messungen erfordert. Wenn mehr Photonen hinzugefügt werden, wächst die Arbeitsbelastung exponentiell, was den Prozess langsam und unpraktisch macht.
Wissenschaftler wissen seit langem, dass es prinzipiell eine effizientere Methode gibt. Verschränkte Messungen können den vollständigen Zustand in einem einzigen Vorgang aufdecken. Diese wurden bereits für einfachere Systeme und für Greenberger-Horne-Zeilinger- oder GHZ-Staaten demonstriert. Aber bisher war es noch niemandem gelungen, die Idee erfolgreich auf W-Staaten anzuwenden.
Ein Team ausUndmachte es sich zum Ziel, diese Lücke zu schließen.
Ein neuer Ansatz mit Symmetrie
„Mehr als 25 Jahre nach dem ersten Vorschlag zur verschränkten Messung für GHZ-Zustände haben wir endlich die verschränkte Messung auch für den W-Zustand erhalten, mit echter experimenteller Demonstration für 3-Photonen-W-Zustände“, sagt der korrespondierende Autor Shigeki Takeuchi.
Anstatt das Problem direkt anzugehen, konzentrierten sich die Forscher auf ein verstecktes Muster innerhalb der W-Zustände, das als zyklische Verschiebungssymmetrie bezeichnet wird. Diese Eigenschaft bedeutet, dass der Gesamtzustand unverändert bleibt, wenn die Positionen der Photonen gedreht werden. Durch die Entwicklung eines optischen Systems, das diese Symmetrie erkennt, fanden sie einen Weg, den Zustand direkt zu identifizieren.
Ihr Gerät verwendet sorgfältig vorbereitete Photonen, die durch ein Netzwerk optischer Komponenten geschickt werden, die eine Art Transformation durchführen, die als Fourier-Transformation bekannt ist. Die Art und Weise, wie die Photonen das System verlassen, verrät, welcher W-Zustand vorhanden war, sodass keine groß angelegte Datenerfassung erforderlich ist.
Experimentelle Validierung
Um die Idee zu testen, baute das Team einen stabilen Drei-Photonen-Aufbau, der über längere Zeiträume ohne Anpassung laufen konnte. Das System konnte erfolgreich zwischen verschiedenen W-Zuständen unterscheiden und bestätigte damit, dass der Ansatz in der Praxis funktioniert.
Dieser Durchbruch öffnet die Tür zu Fortschritten wie der Quantenteleportation sowie sichererer Kommunikation und neuen Formen der verteilten KommunikationQuantencomputing. Durch die einfachere Messung der Verschränkung könnte die Methode auch dazu beitragen, zuverlässigere und skalierbarere Quantennetzwerke aus vielen verbundenen Systemen zu ermöglichen.
„Um die Forschung und Entwicklung von Quantentechnologien zu beschleunigen, ist es entscheidend, unser Verständnis grundlegender Konzepte zu vertiefen, um innovative Ideen zu entwickeln“, sagt Takeuchi.
Der nächste Schritt besteht darin, die Technik auf größere Systeme zu skalieren und in kompakte photonische Chips zu integrieren. Wenn das gelingt, könnte es dazu beitragen, die Quantentechnologie aus dem Labor in den täglichen Gebrauch zu bringen.
Referenz: „Entangled Measurement for W States“ von Geobae Park, Holger F. Hofmann, Ryo Okamoto und Shigeki Takeuchi, 12. September 2025,Wissenschaftliche Fortschritte.
DOI: 10.1126/sciadv.adx4180
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Eine neue Methode deckt verborgene Ordnung in Quantensystemen auf und verändert möglicherweise die Art und Weise, wie sie gemessen und verwendet werden.
Eine seit langem bestehende Herausforderung in der Quantenphysik könnte endlich eine praktische Lösung finden. Forscher in Japan haben eine neue Methode zur Identifizierung komplexer Quantenzustände in einem einzigen Schritt entwickelt und damit möglicherweise einen der größten Engpässe beim Aufbau realer Quantentechnologien beseitigt.
Der Fortschritt konzentriert sich auf eine bestimmte Art der Verschränkung, die als W-Zustand bekannt ist. Im Gegensatz zu anderen bekannten Quantenzuständen sind W-Zustände widerstandsfähiger. Selbst wenn ein Teilchen verloren geht, können die verbleibenden Teilchen verwickelt bleiben. Das macht sie besonders attraktiv für Quantenkommunikationssysteme, bei denen Verluste unvermeidbar sind.
Warum W-Zustände schwer zu messen sind
Trotz ihrer Vorteile waren W-Zustände schwierig zu messen. Herkömmliche Methoden basieren auf der Quantentomographie, die eine große Anzahl wiederholter Messungen erfordert. Wenn mehr Photonen hinzugefügt werden, wächst die Arbeitsbelastung exponentiell, was den Prozess langsam und unpraktisch macht.
Wissenschaftler wissen seit langem, dass es prinzipiell eine effizientere Methode gibt. Verschränkte Messungen können den vollständigen Zustand in einem einzigen Vorgang aufdecken. Diese wurden bereits für einfachere Systeme und für Greenberger-Horne-Zeilinger- oder GHZ-Staaten demonstriert. Aber bisher war es noch niemandem gelungen, die Idee erfolgreich auf W-Staaten anzuwenden.
Ein Team ausUndmachte es sich zum Ziel, diese Lücke zu schließen.
Ein neuer Ansatz mit Symmetrie
„Mehr als 25 Jahre nach dem ersten Vorschlag zur verschränkten Messung für GHZ-Zustände haben wir endlich die verschränkte Messung auch für den W-Zustand erhalten, mit echter experimenteller Demonstration für 3-Photonen-W-Zustände“, sagt der korrespondierende Autor Shigeki Takeuchi.
Anstatt das Problem direkt anzugehen, konzentrierten sich die Forscher auf ein verstecktes Muster innerhalb der W-Zustände, das als zyklische Verschiebungssymmetrie bezeichnet wird. Diese Eigenschaft bedeutet, dass der Gesamtzustand unverändert bleibt, wenn die Positionen der Photonen gedreht werden. Durch die Entwicklung eines optischen Systems, das diese Symmetrie erkennt, fanden sie einen Weg, den Zustand direkt zu identifizieren.
Ihr Gerät verwendet sorgfältig vorbereitete Photonen, die durch ein Netzwerk optischer Komponenten geschickt werden, die eine Art Transformation durchführen, die als Fourier-Transformation bekannt ist. Die Art und Weise, wie die Photonen das System verlassen, verrät, welcher W-Zustand vorhanden war, sodass keine groß angelegte Datenerfassung erforderlich ist.
Experimentelle Validierung
Um die Idee zu testen, baute das Team einen stabilen Drei-Photonen-Aufbau, der über längere Zeiträume ohne Anpassung laufen konnte. Das System konnte erfolgreich zwischen verschiedenen W-Zuständen unterscheiden und bestätigte damit, dass der Ansatz in der Praxis funktioniert.
Dieser Durchbruch öffnet die Tür zu Fortschritten wie der Quantenteleportation sowie sichererer Kommunikation und neuen Formen der verteilten KommunikationQuantencomputing. Durch die einfachere Messung der Verschränkung könnte die Methode auch dazu beitragen, zuverlässigere und skalierbarere Quantennetzwerke aus vielen verbundenen Systemen zu ermöglichen.
„Um die Forschung und Entwicklung von Quantentechnologien zu beschleunigen, ist es entscheidend, unser Verständnis grundlegender Konzepte zu vertiefen, um innovative Ideen zu entwickeln“, sagt Takeuchi.
Der nächste Schritt besteht darin, die Technik auf größere Systeme zu skalieren und in kompakte photonische Chips zu integrieren. Wenn das gelingt, könnte es dazu beitragen, die Quantentechnologie aus dem Labor in den täglichen Gebrauch zu bringen.
Referenz: „Entangled Measurement for W States“ von Geobae Park, Holger F. Hofmann, Ryo Okamoto und Shigeki Takeuchi, 12. September 2025,Wissenschaftliche Fortschritte.
DOI: 10.1126/sciadv.adx4180
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