Chinesisches Forschungsteam realisiert echte Verschränkung von 13 Qubits ohne Zerstörung von Photonen

Quantencomputer versprechen, Probleme zu lösen, die klassische Computer derzeit nicht bewältigen können, doch ausreichend Qubits zur Zusammenarbeit zu bringen, bleibt eine große Herausforderung. Kürzlich demonstrierte ein chinesisches Forschungsteam in einer neuen Studie, wie sich kleine verschränkte Mikrowellenphotonen zu größeren, programmierbaren Quantennetzwerken kombinieren lassen, ohne die Photonen im Verbindungsprozess zu zerstören. Sie wiesen erfolgreich echte Verschränkung zwischen 13 Photonen-Qubits nach und ebneten damit den Weg für skalierbarere Quantencomputer- und Kommunikationssysteme. Die Herausforderung besteht darin, wie diese Verbindungen zuverlässig hergestellt werden können. Qubits können durch Verschränkung verbunden werden, ein Quantenphänomen, bei dem geteilte Zustände nicht unabhängig beschrieben werden können.

Wissenschaftler können diese Verbindungen in Strukturen anordnen, die als Graphenzustände bezeichnet werden und als Ressourcen für Quantencomputing und -kommunikation dienen. „Große photonische Graphenzustände sind eine wichtige Ressource für Quantenkommunikation, Quantennetze und messbasiertes Quantencomputing“, sagt Hongyi Zhang, Quantenforscher an der Tsinghua University.

Eine Methode, kleine verschränkte Zustände zu verbinden, ist ein Fusionsprozess, der sie zu größeren Zuständen kombiniert. Die in traditionellen linearen Optiksystemen verwendete Fusion ist jedoch meist probabilistisch, was bedeutet, dass Versuche fehlschlagen können. Wiederholte Versuche und zusätzliche Hardware machen den Aufbau größerer Zustände zunehmend schwierig. Das Forschungsteam stellte eine Strategie vor, die supraleitende Schaltkreise nutzt, um kleine verschränkte Mikrowellenphotonen zusammenzufügen. Statt in einem einzigen Schritt einen riesigen verschränkten Zustand zu erzeugen, baut die Methode größere Netzwerke durch das Verbinden kleinerer vorbereiteter Zustände auf. Der Schlüssel dieses Ansatzes liegt in einer Technik namens Quanten-nicht-zerstörende Messung.

Quanten-nicht-zerstörende Messtechnik

Im Gegensatz zu Messungen, die Photonen absorbieren oder zerstören, ermöglicht diese Methode die Informationsgewinnung bei Erhalt der Photonen. In diesem Experiment veränderte die Messung auch den gemeinsamen Quantenzustand des Paares, was den Forschern erlaubte, kleinere Graphenzustände zu verbinden. „Wir untersuchten, ob sich deterministische Fusion durch Quanten-nicht-zerstörende Messung realisieren lässt. Unser Ziel war es, einen deterministischen, programmierbaren Fusionsbetrieb zu demonstrieren und zu beweisen, dass er einen praktikablen Weg zum Zusammenbau größerer, rekonfigurierbarer photonischer Graphenzustände bietet“, sagt Hongyi Zhang.

Die Forscher erzeugten zunächst mit supraleitenden Schaltkreisen kleine Gruppen verschränkter Mikrowellenphotonen. Sie kodierten Quanteninformation in verschiedene Zeitschlitze der Photonen, sodass die Information in unterschiedlichen Ankunftszeiten übertragen werden konnte. Anschließend maßen sie ausgewählte Photonenpaare mit einem Quanten-nicht-zerstörenden Detektor und projizierten sie in einen spezifischen verschränkten Zustand, den sogenannten Bell-Zustand. Dadurch ließen sich kleinere Graphenzustände verbinden, ohne die Photonen zu zerstören. Durch Anpassung der Photonenfrequenz – auch Frequenzabstimmung genannt – konnten die Forscher auswählen, welche Paare gemessen werden, und steuern, wie sich kleinere Graphenzustände zu größeren verbinden.

Damit wird der Fusionsprozess programmierbar. Das Team kombinierte zudem aktives Zurücksetzen und Wiederverwenden supraleitender Qubits mit integrierter Fehlerabmilderung, um die Auswirkungen von Dekohärenz durch Umgebungsinteraktion einzudämmen. Mit dieser Methode wiesen die Forscher echte multipartite Verschränkung zwischen 13 Photonen-Qubits nach. Das bedeutet, die Verschränkung erstreckt sich über die gesamte Gruppe und ist nicht auf isolierte Teilgruppen beschränkt. Dieser Erfolg zeigt, dass der Fusionsprozess größere, rekonfigurierbare photonische Graphenzustände erzeugen kann. „Unser Hauptbeitrag ist ein deterministischer, programmierbarer und nicht-zerstörender Fusionsbetrieb“, sagt Hongyi Zhang.

Anwendungen großer photonischer Graphenzustände

Große photonische Graphenzustände können messbasiertes Quantencomputing unterstützen, bei dem Berechnungen durch sorgfältig gewählte Messungen an verschränkten Zuständen durchgeführt werden. Sie können auch Quantennetze und Quantenfehlerkorrekturverfahren voranbringen, die Quanteninformation vor Fehlern schützen sollen. „Diese Arbeit liefert eine Architektur zur Skalierung photonischer Graphenzustände durch das Verbinden kleinerer Bedarfs-Ressourcenzustände. Das ist relevant für zukünftiges messbasiertes Quantencomputing, Quantennetze und potenzielle Quantenfehlerkorrekturverfahren, da sowohl die Größe als auch die Konnektivität der Graphenzustände entscheidend sind“, erklärt Hongyi Zhang.

Die Demonstration von Verschränkung zwischen 13 Qubits ist jedoch nicht gleichbedeutend mit dem Bau eines praktischen großskaligen Quantencomputers. Das System bedarf noch Verbesserungen bei Gerätegenauigkeit, Photonenerzeugungseffizienz und Detektorleistung. Daher planen die Forscher nun die Entwicklung von Multi-Detektor-Architekturen, um mehr Fusionsoperationen durchzuführen und größere, komplexere Graphenzustände zu erzeugen. Ob sich dieser Ansatz effizient skalieren lässt, während die erforderliche Leistung beibehalten wird, bleibt abzuwarten. Die Studie wurde im Journal Nature Physics veröffentlicht.

Schlüsseldurchbruch für skalierbares Quantencomputing

Der Erfolg des chinesischen Forschungsteams markiert einen wichtigen Fortschritt im Quantencomputing, insbesondere bei der Verschränkungstechnologie zwischen Qubits. Durch Quanten-nicht-zerstörende Messung konnten die Forscher Information extrahieren und verarbeiten, ohne Photonen zu beschädigen – entscheidend für zukünftige Quantencomputer- und Kommunikationssysteme. Der Aufbau großer photonischer Graphenzustände steigert nicht nur die Effizienz des Quantencomputings, sondern stärkt auch Stabilität und Zuverlässigkeit von Quantennetzen. Mit weiterer technologischer Entwicklung könnte diese Forschung den Weg für größere Quantencomputer ebnen und den aktuellen technologischen Herausforderungen begegnen.