Neue Forschungsergebnisse unter der Leitung eines Teams von Wissenschaftlern der Australian National University (ANU) haben einen Weg aufgezeigt, um mithilfe von Quantencomputern genauere Messungen mikroskopischer Objekte zu erreichen – ein Schritt, der sich in einer Vielzahl von Technologien der nächsten Generation, einschließlich der Biomedizin, als nützlich erweisen könnte spüren.
Die Untersuchung der verschiedenen individuellen Eigenschaften eines großen Alltagsgegenstands wie eines Autos ist ziemlich einfach: Ein Auto hat eine genau definierte Position, Farbe und Geschwindigkeit. Dies wird jedoch viel schwieriger, wenn versucht wird, mikroskopisch kleine Quantenobjekte wie Photonen – winzig kleine Lichtteilchen – zu untersuchen.
Das liegt daran, dass bestimmte Eigenschaften von Quantenobjekten miteinander verbunden sind und die Messung einer Eigenschaft eine andere Eigenschaft stören kann. Beispielsweise beeinflusst die Messung der Position eines Elektrons seine Geschwindigkeit und umgekehrt.
Solche Eigenschaften werden konjugierte Eigenschaften genannt. Dies ist eine direkte Manifestation von Heisenbergs berühmter Unschärferelation – es ist nicht möglich, zwei konjugierte Eigenschaften eines Quantenobjekts gleichzeitig mit beliebiger Genauigkeit zu messen.
Laut Hauptautor und ANU Ph.D. Forscher Lorcán Conlon, ist dies eine der entscheidenden Herausforderungen der Quantenmechanik.
„Wir waren in der Lage, eine Messung zu entwerfen, um die konjugierten Eigenschaften von Quantenobjekten genauer zu bestimmen. Bemerkenswerterweise konnten unsere Mitarbeiter diese Messung in verschiedenen Labors auf der ganzen Welt implementieren“, sagte Conlon.
„Genauere Messungen sind entscheidend und können wiederum neue Möglichkeiten für alle Arten von Technologien eröffnen, einschließlich biomedizinischer Sensorik, Laser-Entfernungsmessung und Quantenkommunikation.“
Die neue Technik dreht sich um eine seltsame Eigenart von Quantensystemen, die als Verschränkung bekannt ist. Indem zwei identische Quantenobjekte miteinander verschränkt und gemeinsam gemessen werden, können Wissenschaftler den Forschern zufolge deren Eigenschaften genauer bestimmen, als wenn sie einzeln gemessen würden.
„Durch die Verschränkung zweier identischer Quantensysteme können wir mehr Informationen gewinnen“, sagte Co-Autor Dr. Syed Assad. „Es gibt ein unvermeidliches Rauschen, das mit der Messung einer Eigenschaft eines Quantensystems verbunden ist. Indem wir die beiden verschränken, können wir dieses Rauschen reduzieren und eine genauere Messung erhalten.“
Theoretisch ist es möglich, drei oder mehr Quantensysteme zu verschränken und zu vermessen, um eine noch bessere Genauigkeit zu erreichen, aber in diesem Fall stimmten die Experimente nicht mit der Theorie überein. Dennoch sind die Autoren zuversichtlich, dass zukünftige Quantencomputer diese Einschränkungen überwinden können.
„Quantencomputer mit fehlerkorrigierten Qubits werden in Zukunft mit immer mehr Kopien gewinnbringend messen können“, sagte Conlon.
Laut Professor Ping Koy Lam, A*STAR-Chefquantenwissenschaftler am Institute of Materials Research and Engineering (IMRE), ist eine der Hauptstärken dieser Arbeit, dass eine Quantenverstärkung auch in lauten Szenarien beobachtet werden kann.
„Für praktische Anwendungen, wie zum Beispiel bei biomedizinischen Messungen, ist es wichtig, dass wir einen Vorteil sehen, selbst wenn das Signal zwangsläufig in eine verrauschte reale Umgebung eingebettet ist“, sagte er.
Die Studie wurde von Experten des ARC Center of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology (CQC2T) in Zusammenarbeit mit Forschern des A*STAR Institute of Materials Research and Engineering (IMRE), der Universität Jena, der Universität Innsbruck, und Macquarie University. Amazon Web Services arbeitete zusammen, indem es Forschungs- und Architekturunterstützung bereitstellte und das Rigetti Aspen-9-Gerät mithilfe von Amazon Braket zur Verfügung stellte.
Die Forscher testeten ihre Theorie auf 19 verschiedenen Quantencomputern auf drei verschiedenen Plattformen: supraleitende, gefangene Ionen und photonische Quantencomputer. Diese weltweit führenden Geräte befinden sich in ganz Europa und Amerika und sind über die Cloud zugänglich, sodass Forscher aus der ganzen Welt sich verbinden und wichtige Forschungsarbeiten durchführen können.
Die Forschung wurde in veröffentlicht Naturphysik.
Mehr Informationen:
Lorcán O. Conlon et al., Annäherung an optimale kollektive Verschränkungsmessungen auf Quantencomputerplattformen, Naturphysik (2023). DOI: 10.1038/s41567-022-01875-7