Wir sehen die Welt um uns herum, weil Licht von spezialisierten Zellen in unserer Netzhaut absorbiert wird. Aber kann Sehen überhaupt ohne jegliche Absorption stattfinden – sogar ohne ein einziges Lichtteilchen? Überraschenderweise lautet die Antwort ja.
Stellen Sie sich vor, Sie haben eine Kamerakassette, die eine Rolle Fotofilm enthalten könnte. Die Rolle ist so empfindlich, dass schon der Kontakt mit einem einzigen Photon sie zerstören würde. Mit unseren alltäglichen klassischen Mitteln gibt es keine Möglichkeit zu wissen, ob sich Film in der Patrone befindet, aber in der Quantenwelt ist dies möglich. Anton Zeilinger, einer der Träger des Physik-Nobelpreises 2022, hat erstmals die Idee eines interaktionsfreien Experiments mit Optik experimentell umgesetzt.
Jetzt haben Shruti Dogra, John J. McCord und Gheorghe Sorin Paraoanu von der Aalto-Universität in einer Studie, die die Verbindung zwischen der Quantenwelt und der klassischen Welt untersucht, einen neuen und viel effektiveren Weg entdeckt, um interaktionsfreie Experimente durchzuführen. Das Team verwendete Transmon-Geräte – supraleitende Schaltungen, die relativ groß sind, aber dennoch Quantenverhalten zeigen – um das Vorhandensein von Mikrowellenimpulsen zu erkennen, die von klassischen Instrumenten erzeugt werden. Ihre Forschungsergebnisse wurden kürzlich in veröffentlicht Naturkommunikation.
Ein Experiment mit zusätzlicher Ebene der „Quantenhaftigkeit“
Obwohl Dogra und Paraoanu von der Arbeit von Zeilingers Forschungsgruppe fasziniert waren, konzentriert sich ihr Labor nicht auf Laser und Spiegel, sondern auf Mikrowellen und Supraleiter. „Wir mussten das Konzept an die verschiedenen experimentellen Werkzeuge anpassen, die für supraleitende Geräte verfügbar sind. Aus diesem Grund mussten wir auch das standardmäßige interaktionsfreie Protokoll auf entscheidende Weise ändern: Wir fügten eine weitere Ebene der ‚Quantenhaftigkeit‘ hinzu, indem wir eine höhere Energie verwendeten Ebene des Transmons. Dann nutzten wir die Quantenkohärenz des resultierenden Drei-Ebenen-Systems als Ressource“, sagt Paraoanu.
Quantenkohärenz bezieht sich auf die Möglichkeit, dass ein Objekt gleichzeitig zwei verschiedene Zustände einnehmen kann – etwas, das die Quantenphysik zulässt. Die Quantenkohärenz ist jedoch empfindlich und bricht leicht zusammen, sodass nicht sofort klar war, dass das neue Protokoll funktionieren würde. Zur angenehmen Überraschung des Teams zeigten die ersten Durchläufe des Experiments eine deutliche Steigerung der Erkennungseffizienz. Sie kehrten mehrmals zum Reißbrett zurück, führten theoretische Modelle durch, die ihre Ergebnisse bestätigten, und überprüften alles noch einmal. Der Effekt war definitiv da.
„Wir haben auch gezeigt, dass mit unserem Protokoll sogar Mikrowellenpulse mit sehr geringer Leistung effizient detektiert werden können“, sagt Dogra.
Das Experiment zeigte auch einen neuen Weg, auf dem Quantengeräte Ergebnisse erzielen können, die für klassische Geräte unmöglich sind – ein Phänomen, das als Quantenvorteil bekannt ist. Forscher glauben im Allgemeinen, dass das Erreichen eines Quantenvorteils Quantencomputer mit vielen Qubits erfordert, aber dieses Experiment zeigte einen echten Quantenvorteil mit einem relativ einfacheren Aufbau.
Mögliche Anwendungen in vielen Arten der Quantentechnologie
Wechselwirkungsfreie Messungen, die auf der weniger effektiven älteren Methodik basieren, haben bereits Anwendungen in spezialisierten Prozessen wie der optischen Bildgebung, der Rauscherkennung und der kryptografischen Schlüsselverteilung gefunden. Das neue und verbesserte Verfahren könnte die Effizienz dieser Prozesse dramatisch steigern.
„Im Quantencomputing könnte unsere Methode zur Diagnose von Mikrowellen-Photonen-Zuständen in bestimmten Speicherelementen eingesetzt werden. Dies kann als hocheffiziente Methode angesehen werden, Informationen zu extrahieren, ohne die Funktion des Quantenprozessors zu stören“, sagt Paraoanu.
Die von Paraoanu geleitete Gruppe untersucht mit ihrem neuen Ansatz auch andere exotische Formen der Informationsverarbeitung, wie z Tatsache, dass der Computer ausgeführt wird).
Mehr Informationen:
Shruti Dogra et al, Kohärente interaktionsfreie Detektion von Mikrowellenimpulsen mit einer supraleitenden Schaltung, Naturkommunikation (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-35049-z