Langreichweitige Quantenverschränkung erfordert eine Drei-Wege-Wechselwirkung

Eine theoretische Studie zeigt, dass weitreichende Verschränkung tatsächlich bei Temperaturen über dem absoluten Nullpunkt überleben kann, wenn die richtigen Bedingungen erfüllt sind.

Quantencomputing ist als nächster revolutionärer Schritt in der Computertechnik vorgesehen. Aktuelle Systeme sind jedoch nur bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt praktisch stabil. Ein neues Theorem aus einer japanischen Forschungskooperation gibt Aufschluss darüber, welche Arten von langreichweitiger Quantenverschränkung bei Temperaturen ungleich Null überleben, enthüllt einen grundlegenden Aspekt makroskopischer Quantenphänomene und weist den Weg zum weiteren Verständnis von Quantensystemen.

Wenn die Dinge klein werden, bis hinab in die Größenordnung von einem Tausendstel der Breite eines menschlichen Haares, werden die Gesetze der klassischen Physik durch die der Quantenphysik ersetzt. Die Quantenwelt ist seltsam und wunderbar, und es gibt vieles darüber, was Wissenschaftler noch verstehen müssen. Großräumige oder „makroskopische“ Quanteneffekte spielen eine Schlüsselrolle bei außergewöhnlichen Phänomenen wie der Supraleitung, die ein potenzieller Wendepunkt für den zukünftigen Energietransport ist, sowie für die Weiterentwicklung von Quantencomputern.

Mit Hilfe der langreichweitigen Quantenverschränkung ist es möglich, „Quantenhaftigkeit“ auf dieser Skala in bestimmten Systemen zu beobachten und zu messen. Quantenverschränkung, die Albert Einstein einst als „gespenstische Fernwirkung“ bezeichnete, tritt auf, wenn eine Gruppe von Teilchen nicht unabhängig voneinander beschrieben werden kann. Das bedeutet, dass ihre Eigenschaften miteinander verknüpft sind: Wer ein Teilchen vollständig beschreiben kann, weiß auch alles über die Teilchen, mit denen es verschränkt ist.

Die weitreichende Verschränkung ist von zentraler Bedeutung für die Quanteninformationstheorie, und ihr weiteres Verständnis könnte zu einem Durchbruch bei Quantencomputertechnologien führen. Die Quantenverschränkung über große Entfernungen ist jedoch unter bestimmten Bedingungen stabil, beispielsweise zwischen drei oder mehr Parteien und bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt. Was passiert mit verschränkten Zweiparteiensystemen bei Temperaturen ungleich Null? Um diese Frage zu beantworten, stellten Forscher des RIKEN Center for Advanced Intelligence Project, Tokyo, und der Keio University, Yokohama, kürzlich eine theoretische Studie vor Körperliche Überprüfung X Beschreibung der weitreichenden Verschränkung bei Temperaturen über dem absoluten Nullpunkt in zweiteiligen Systemen.

„Der Zweck unserer Studie war es, eine Begrenzung der Struktur der weitreichenden Verschränkung bei beliebigen Temperaturen ungleich Null zu identifizieren“, erklärt Tomotaka Kuwahara, Teamleiter von RIKEN Hakubi, einer der Autoren der Studie, der die Forschung während seiner Zeit am durchgeführt hat RIKEN Center for Advanced Intelligence Project. „Wir liefern einfache No-Go-Theoreme, die zeigen, welche Arten von weitreichender Verschränkung bei Temperaturen ungleich Null überleben können. Bei Temperaturen über dem absoluten Nullpunkt vibrieren und bewegen sich Partikel in einem Material aufgrund von Wärmeenergie, die der Quantenverschränkung entgegenwirkt. Bei beliebigen Temperaturen ungleich Null kann zwischen nur zwei Subsystemen keine langreichweitige Verschränkung bestehen.“

Die Ergebnisse der Forscher stimmen mit früheren Beobachtungen überein, dass die weitreichende Verschränkung bei einer Temperatur ungleich Null nur dann überlebt, wenn mehr als drei Subsysteme beteiligt sind. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass dies ein grundlegender Aspekt makroskopischer Quantenphänomene bei Raumtemperatur ist und dass Quantengeräte so konstruiert werden müssen, dass sie mehrteilige verschränkte Zustände aufweisen.

„Dieses Ergebnis hat die Tür zu einem tieferen Verständnis der Quantenverschränkung über große Entfernungen geöffnet, also ist dies erst der Anfang“, sagt Professor Keijo Saito von der Keio University, der Mitautor der Studie. „Wir wollen unser Verständnis der Beziehung zwischen Quantenverschränkung und Temperatur in Zukunft vertiefen. Dieses Wissen wird die Entwicklung zukünftiger Quantengeräte anregen und vorantreiben, die bei Raumtemperatur arbeiten und sie praktisch machen.“

Während Quantengeräte, die bei stabilen Raumtemperaturen arbeiten, noch in den Kinderschuhen stecken, scheint die Quantenverschränkung die Zukunft dieses Feldes zu „binden“.