Forscher erzeugen komplexe Quantenzustände mit verblüffend einfachem Trick

Quantencomputer, ultrasensible Sensoren oder abhörsichere Kommunikation – viele Zukunftstechnologien basieren auf einem Phänomen der Quantenphysik: der Verschränkung. Dabei entstehen zwischen Teilchen Zusammenhänge, die sich mit den Gesetzen der klassischen Physik nicht vollständig beschreiben lassen. Solche Zustände gezielt zu erzeugen, gehört allerdings zu den schwierigsten Aufgaben der modernen Quantenforschung.

Ein Forschungsteam der Pritzker School of Molecular Engineering an der University of Chicago hat nun einen Ansatz vorgestellt, der diese Aufgabe deutlich vereinfachen könnte. Das Besondere daran: Die Methode kommt ohne komplizierte Spezialaufbauten aus und nutzt stattdessen Komponenten, die in vielen Quantenlaboren bereits vorhanden sind. Die theoretische Arbeit wurde in der Fachzeitschrift Physical Review X veröffentlicht.

„Wir wollten einfache Bausteine, die man in vielen physikalischen Plattformen findet, auf minimalistische Weise zusammenfügen, um etwas Interessantes, Komplexes und Leistungsstarkes zu erhalten“, sagt Studienleiter Aashish Clerk.

Das Problem mit der Symmetrie

Die Forschenden setzen auf eine etablierte Plattform aus der Quantenoptik: die sogenannte Cavity-Quantenelektrodynamik (Cavity-QED). Dabei befinden sich Atome oder andere Quantenteilchen in einem optischen Resonator. Das dort eingeschlossene Licht wechselwirkt wiederholt mit den Teilchen und koppelt sie miteinander.

Genau diese Systeme haben jedoch einen Nachteil. In der Regel verhalten sich alle Atome nahezu identisch. Sie koppeln auf dieselbe Weise an das Lichtfeld und lassen sich kaum voneinander unterscheiden. Diese hohe Symmetrie begrenzt die Zahl der Quantenzustände, die sich erzeugen lassen.

„Die Herausforderung bestand schon immer darin, dass diese Systeme zu viel Symmetrie aufweisen. Alle Atome interagieren auf dieselbe Weise mit dem Licht“, erklärt Clerk.

Ein einfacher Eingriff verändert das gesamte System

Die Lösung des Teams ist erstaunlich unkompliziert. Zusätzlich zu einem gemeinsamen Laser nutzen die Forschenden weitere Laser oder ein Magnetfeld, um die Energieniveaus einzelner Atomgruppen geringfügig gegeneinander zu verschieben.

Dabei erhält jedes Atom einen Partner mit einer gleich großen, aber entgegengesetzten Energieverschiebung. Auf diese Weise verlieren die Teilchen ihre vollständige Gleichförmigkeit. Gleichzeitig bleibt das Gesamtsystem ausreichend geordnet, um sich gezielt steuern zu lassen.

Der eigentliche Versuchsaufbau muss dafür nicht umgebaut werden. Stattdessen genügt es, die Zuordnung der Energieniveaus zu verändern. So können unterschiedliche verschränkte Zustände erzeugt werden, ohne neue Hardware einzusetzen.

„Man schaltet diese Laser ein und wartet, und irgendwann stabilisiert sich das System in einem interessanten, stark verschränkten Quantenzustand“, sagt Erstautor Anjun Chu. „Durch einfache Anpassung der Laser können wir auf Arten von verschränkten Zuständen zugreifen, an die zuvor noch niemand gedacht hatte.“

Neue Möglichkeiten für die Quantensensorik

Besonders spannend ist der Ansatz für künftige Quantensensoren. Solche Systeme sollen kleinste Unterschiede in Magnet- oder Gravitationsfeldern messen können. Bislang stehen Forschende dabei häufig vor einem Zielkonflikt: Hoch verschränkte Zustände reagieren sehr empfindlich auf Messsignale, gleichzeitig machen sie das System anfällig für Störungen aus der Umgebung.

Das Team aus Chicago beschreibt nun eine Konfiguration mit zwei räumlich getrennten Atomensembles. Deren gemeinsamer Quantenzustand könnte Unterschiede zwischen lokalen Magnet- oder Gravitationsfeldern erfassen, während Störsignale, die beide Systeme gleichermaßen beeinflussen, weitgehend ausgeblendet werden.

„Man kann zwei Dinge tun, die normalerweise nicht miteinander vereinbar sind: Verschränkung nutzen, um einen äußerst empfindlichen Sensor zu bauen, und gleichzeitig Robustheit gegenüber beliebig großen Rauschanteilen zu gewährleisten“, sagt Clerk. „Normalerweise ist Verschränkung sehr fragil. Dieser Ansatz weist eine erstaunliche Widerstandsfähigkeit auf.“

Bemerkenswert ist außerdem, dass zum Auslesen der Zustände keine ungewöhnlichen Messmethoden erforderlich wären. Laut Studie reichen etablierte Ramsey-Messungen aus, die in vielen Quantenlaboren bereits zum Standard gehören.

Auch für die Grundlagenforschung interessant

Die Forschenden sehen über die Sensorik hinaus weitere Einsatzmöglichkeiten. Ihre Berechnungen zeigen, dass sich mit derselben Plattform auch sogenannte AKLT-Zustände erzeugen lassen. Dabei handelt es sich um spezielle Vielteilchenzustände, die seit den 1980er Jahren in der theoretischen Festkörperphysik untersucht werden und heute auch für die Quanteninformationsverarbeitung von Interesse sind.

Noch handelt es sich allerdings um ein theoretisches Konzept. Das Team arbeitet nach eigenen Angaben bereits mit experimentellen Gruppen zusammen, um die Idee praktisch zu überprüfen. Parallel untersuchen die Forschenden weitere Möglichkeiten, die Atome innerhalb des Systems unterschiedlich anzuordnen und dadurch zusätzliche Quantenzustände zugänglich zu machen.

„Die Tatsache, dass so einfache Bausteine derart komplexe und nützliche Quantenzustände erzeugen können, gibt uns Hoffnung, dass wir schon vor der Verwirklichung des Traums von einem universellen Allzweck-Quantencomputer Quantenzustände erzeugen können, die uns Dinge ermöglichen, die in einer rein klassischen Welt nicht möglich wären“, sagt Clerk.