Quantentomographie ist ein Prozess, der die Rekonstruktion und Charakterisierung eines Quantenzustands unter Verwendung einer Reihe gesammelter Messungen umfasst. In den letzten Jahren haben viele Physiker versucht, mit diesem Verfahren mehr über Quantenzustände zu erfahren, da dies auch die Entwicklung von Quantentechnologien vorantreiben könnte.
Forscher der Nanyang Technological University in Singapur haben kürzlich die Quantenüberlappungstomographie (QOT), eine Unterart der Quantentomographie, die vor kurzem nur ein theoretisches Konstrukt war, in einem experimentellen Umfeld demonstriert. Ihre Arbeit, veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Überprüfungkönnte die zukünftige Quantenphysikforschung informieren, indem es ein neues effektives Werkzeug zur Untersuchung dieser Systeme anbietet.
„Wir implementieren QOT experimentell mit einem linearen optischen System und demonstrieren seinen Vorteil im Vergleich zur weithin akzeptierten Vollzustandstomographie“, sagte Zhengning Yang, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber Phys.org. „QOT ist eine Methode, um Subsysteme eines unbekannten Quanten-Vielteilchenzustands mit einem kleinen Datensatz zu rekonstruieren, der war zuerst theoretisch vorgeschlagen von Jordan Cotler und Frank Wilczek in Stanford und am MIT.“
Die jüngste Arbeit von Yang und seinen Kollegen baut auf der Studie von Cotler und Wilczek aus dem Jahr 2020 auf, die vorschlugen, dass ein unbekannter verschränkter Zustand durch die Nutzung einer Reihe von Einzel-Qubit-Messungen durch den Prozess, den sie QOT nannten, vollständig charakterisiert werden könnte. Das Team der Nanyang Technological University wollte diese theoretische Idee experimentell verifizieren.
„Wir haben eine optische Plattform gebaut, um einen 4/6-Qubit-Quantenzustand zu reproduzieren, der von Einzelphotonen-Qubits getragen wird“, erklärte Yang. „Die Kopien der Zustände werden dann in einem vollständigen Satz von Quantenbasen gemessen. Anschließend haben wir den Messdatensatz verwendet, um den ursprünglichen Quantenzustand mit zwei verschiedenen Methoden, der Full-State-Tomographie (FST) und der QOT, statistisch abzuschätzen, um zu vergleichen, wie gut sie funktionieren .“
Die Experimente der Forscher lieferten sehr vielversprechende Ergebnisse, da sie darauf hindeuteten, dass QOT eine zuverlässigere Methode zur Charakterisierung von Quantenzuständen ist als FST, das herkömmliche Quantentomographieverfahren, das zur Charakterisierung integraler Quantenzustände verwendet wird. Darüber hinaus kann QOT Quantenzustände mit deutlich weniger Messungen genau charakterisieren.
„Wir haben festgestellt, dass QOT bei gleicher Anzahl von Messungen wesentlich genauere Ergebnisse erzielen kann als FST, ohne offensichtliche systematische Fehler einzuführen“, sagte Yang.
Die von Yang und seinen Kollegen gesammelten Erkenntnisse unterstreichen das große Potenzial der QOT für die Untersuchung von Quantenzuständen. In Zukunft könnten sie somit den Einsatz dieser Methode zur Charakterisierung von Quantenzuständen sowohl in der Forschung als auch in der Industrie fördern, um beispielsweise die Entwicklung fortschrittlicherer Quantencomputer oder anderer Quantentechnologien zu unterstützen.
„Während wir alle Arbeiten zu QOT durchgehen, stellen wir fest, dass ‚Überlappung‘ ein mächtiges Werkzeug ist, um Informationen effizient aus einem Quantenzustand zu extrahieren“, fügte Yang hinzu. „Daher planen wir jetzt herauszufinden, wie gut es bei der Schätzung des gesamten Systems statt nur der Subsysteme sein kann. Wir hoffen, dass es das effizienteste Quantentomographieprotokoll sein wird, das für die meisten Systeme machbar ist.“
Mehr Informationen:
Zhengning Yang et al, Experimentelle Demonstration der Quantenüberlappungstomographie, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.050804
Jordan Cotler et al., Quantum Overlapping Tomography, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2020). DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.100401
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