Studie deckt bestehende Einschränkungen bei der Erkennung von Verschränkungen auf

Quantenverschränkung ist ein Prozess, bei dem zwei Teilchen miteinander verschränkt werden und im Laufe der Zeit verbunden bleiben, selbst wenn sie durch große Entfernungen getrennt sind. Der Nachweis dieses Phänomens ist sowohl für die Entwicklung der Quantentechnologie als auch für das Studium der Quanten-Vielteilchenphysik von entscheidender Bedeutung.

Forscher von Tsinghua haben kürzlich eine Studie durchgeführt, die die möglichen Gründe untersucht, warum sich die zuverlässige und effiziente Erkennung von Verschränkungen in komplexen und „rauschenden“ Systemen oft als sehr herausfordernd erwiesen hat. Ihre Ergebnisse, veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Überprüfungdeuten auf die Existenz eines Kompromisses zwischen der Effektivität und Effizienz von Methoden zur Erkennung von Verschränkungen hin.

„Vor über 20 Jahren Forscher entdeckt dass die meisten Quantenzustände verschränkt sind“, sagte Xiongfeng Ma, einer der Forscher, der die Studie durchführte, gegenüber Phys.org.

„Das heißt, wenn wir es beispielsweise geschafft haben, ein 100-Qubit-System zu konstruieren, sagen wir, ein supraleitendes oder Ionenfallen-Quantencomputersystem, wird sich dieses System eine Weile weiterentwickeln, während der die Qubits intensiv miteinander interagieren Natürlich wird es Fehler geben, also isolieren wir das System vernünftigerweise von der Umgebung, um eine gute kohärente Kontrolle aufrechtzuerhalten ist sehr wahrscheinlich verstrickt.“

Während die Verschränkung theoretisch ziemlich einfach zu realisieren erscheint, ist sie in experimentellen Umgebungen tatsächlich sehr schwierig zu erreichen. Untersuchungen zeigten, dass es besonders schwierig ist in großen Quantensystemen, wie z Systeme, die aus 18-Qubits bestehen. Das Hauptziel der jüngsten Arbeit von Ma und seinen Kollegen war es, ein besseres Verständnis der Herausforderungen zu erlangen, die mit der Erkennung von Verschränkung in großen Systemen verbunden sind.

„Die Forscher erkannten allmählich, dass die Vorbereitung des verschränkten Zustands für ein großes System zwar einfach sein mag, die Erkennung der Verschränkung in der Praxis jedoch sehr schwierig sein könnte“, erklärte Ma. „In unserer Arbeit erstellen wir eine mathematische Formel zur Quantifizierung der Wirksamkeit einer Verschränkungserkennungsmethode. Wir verwenden eine geeignete Quantenzustandsverteilung, verwenden das Verhältnis des nachweisbaren Verschränkungszustands, um seine Wirksamkeit zu quantifizieren, und quantifizieren auch die Effizienz einer Verschränkungserkennungsmethode durch die Anzahl der für diese Methode benötigten Observablen.“

Ma und seine Kollegen untersuchten zunächst das wohl einfachste Verstrickungserkennungsprotokoll, das heute verfügbar ist, bekannt als Verstrickungszeugen. Sie zeigten, dass die Fähigkeit dieses Protokolls, Verschränkung zu erkennen, um einen doppelt exponentiellen Wert abnimmt, wenn das System größer wird.

Die Forscher fanden später heraus, dass diese mit der Größe eines Systems verbundene Verringerung der Effektivität auch andere Verschränkungserkennungsprotokolle beeinflusste. Nach einer Reihe theoretischer Überlegungen waren sie in der Lage, ihre Beobachtungen der Leistung der Verschränkungszeugen-Methode auf willkürliche Verschränkungsprotokolle auszudehnen, die auf Einzelkopie-Quantenzustandsmessungen beruhen.

„Für einen zufälligen Zustand, der mit der Umgebung gekoppelt ist, ist jedes Verschränkungserkennungsprotokoll mit Einzelkopierealisierung entweder ineffizient oder ineffektiv“, sagte Ma. „Ineffizient bedeutet, dass das Protokoll auf der Messung einer exponentiellen Anzahl von Observablen beruht, und ineffektiv bedeutet, dass die Erfolgsrate der Verschränkung doppelt exponentiell niedrig ist.“

Im Wesentlichen zeigten Ma und seine Kollegen, dass Forscher in der Lage sein müssen, alle Wechselwirkungen in einem System mit hoher Präzision zu kontrollieren und fast alle Informationen darüber zu kennen, um Verschränkung im großen Maßstab zu beobachten. Bei großer Unsicherheit über das System ist daher die Wahrscheinlichkeit, seine Verschränkung zu entdecken, sehr gering, selbst wenn man sich ihres Auftretens fast sicher ist.

„Wir haben bewiesen, dass Protokolle zur Erkennung von Verschränkungen nicht gleichzeitig effizient und effektiv sind“, erklärte Ma. „Dies könnte in Zukunft beim Entwurf von Protokollen zur Erkennung von Verschränkungen helfen. In der Zwischenzeit könnte die Erkennung von Verschränkungen im großen Maßstab ein guter Indikator für den Vergleich verschiedener Quantencomputersysteme sein. Zum Beispiel, wenn ein Laborteam behauptet, ein System mit Hunderten von Qubits zu bauen , sie sollten eine Verstrickung erkennen. Andernfalls haben sie das System nicht gut genug kontrolliert.“

Insgesamt heben die von diesem Forscherteam gesammelten Ergebnisse die Existenz eines Kompromisses zwischen der Effizienz und Effektivität bestehender Methoden zur Erkennung von Verschränkungen hervor. Darüber hinaus bieten sie wertvolle Einblicke in die Gründe, warum die Erkennung von Verschränkung in großen und verrauschten Quantensystemen so schwierig ist.

„Unser Ergebnis hindert uns nicht daran, ein Protokoll zu entwerfen, das sowohl effizient als auch effektiv ist, wenn das System gut kontrolliert wird (dh die gekoppelte Umgebung ist relativ klein),“ fügte Ma hinzu. „Derzeit haben wir nur Verschränkungserkennungsprotokolle, die gut für reine Zustände funktionieren, wie z. B. Verschränkungszeugen, und Protokolle, die für große Umgebungen auf Kosten exponentieller Kosten funktionieren es fehlt noch ein niedriger Preis, und wir möchten jetzt versuchen, einen zu entwickeln.“

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