Ein Team der Universität Genf zeigt, dass es möglich ist, den Zustand eines Quantensystems anhand von indirekten Messungen zu bestimmen, wenn es an seine Umgebung gekoppelt ist.
In welchem Zustand befindet sich ein Quantensystem? Die Beantwortung dieser Frage ist entscheidend für die Nutzung von Quanteneigenschaften und die Entwicklung neuer Technologien. In der Praxis beruht diese Charakterisierung in der Regel auf direkten Messungen, die extrem gut kontrollierte Systeme erfordern, da ihre Empfindlichkeit gegenüber äusseren Störungen die Ergebnisse verfälschen kann. Diese Einschränkung beschränkt ihre Anwendbarkeit auf bestimmte experimentelle Kontexte. Ein Team der Universität Genf schlägt einen alternativen Ansatz vor, der sich für offene Quantensysteme eignet, in denen die Wechselwirkung mit der Umgebung eher zu einem Vorteil als zu einem Hindernis wird. Diese Arbeit, die in Physical Review Letters mit dem Label "Editors’ Choice" veröffentlicht wurde, bringt die Quantentechnologien ein Stück näher an die realen Nutzungsbedingungen heran.
Quantentechnologien - von Computern über Sensoren bis hin zu kryptographischen Systemen - basieren alle auf einem entscheidenden Schritt: der Charakterisierung von Quantenzuständen. Mit anderen Worten, es geht darum, alle Parameter, die ein System beschreiben, zu identifizieren, um eine vollständige und verwertbare Beschreibung zu erhalten.
Dieser Prozess, der alsQuantenzustandstomographie (Quantum State Tomography , QST) bezeichnet wird, erfordert eine grosse Anzahl verschiedener Messungen. Diese Protokolle setzen in der Regel voraus, dass das System nur sehr schwach an seine Umgebung gekoppelt ist, da jede unkontrollierte Wechselwirkung die Ergebnisse und Eigenschaften des Quantensystems selbst verändern kann. Diese Einschränkung ist besonders stark bei Quantencomputerplattformen.
Die Interaktion mit der Umgebung, die oft als Quelle unerwünschter Störungen angesehen wird, kann im Gegenteil zu einer Informationsressource werden.
Die Umwelt zum Verbündeten machen
Wissenschaftler der Universität Genf haben eine flexiblere Methode entwickelt, die von diesem herkömmlichen Ansatz abweicht. Anstatt das System direkt zu messen, beruht ihr Protokoll auf Transportmessungen, d. h. Messungen, die auf der Bewegung von Teilchen durch das Quantensystem beruhen.
Konkret lässt sich die Methode auf Systeme anwenden, die an mehrere Umgebungen gekoppelt sind, z. B. Potenzial- oder Temperaturunterschieden ausgesetzt sind. Diese Ungleichgewichte induzieren Teilchenströme durch das Quantensystem. Durch die genaue Messung dieser Ströme und ihrer Korrelationen wird es möglich, auf die Parameter zuzugreifen, die den Quantenzustand beschreiben, ohne auf direkte projektive Messungen am System selbst zurückgreifen zu müssen.
unsere Arbeit zeigt, dass die Interaktion mit der Umwelt, die oft als Quelle unerwünschter Störungen angesehen wird, im Gegenteil zu einer Informationsressource werden kann, wenn sie richtig genutzt wird", erklärt Géraldine Haack, Lehr- und Forschungsbeauftragte am Departement für angewandte Physik der naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Genf, Preisträgerin des akademischen Nachwuchsprogramms der Sandoz-Stiftung, die das Projekt leitete. Letzteres wurde in Zusammenarbeit mit Jeanne Bourgeois, der Erstautorin, durchgeführt, die damals ein Masterpraktikum an der Universität Genf absolvierte und heute als Doktorandin an die EPFL angegliedert ist, sowie mit Gianmichele Blasi, der damals Postdoktorand an der Universität Genf war und heute als Postdoktorand am IFISC der Universität der Balearen auf Mallorca tätig ist.
Geräte, die näher an realen Anwendungen sind
Dieser Ansatz ersetzt zwar nicht die Protokolle, die für die Quanteninformatik erforderlich sind, da diese sehr stark isolierte Systeme benötigt, aber er stellt einen grossen Vorteil für die Charakterisierung und Zertifizierung von Quantenzuständen in offenen Geräten dar, insbesondere für Quantensensoren. Diese Sensoren, die extreme Empfindlichkeiten erreichen können, finden in vielen Bereichen Anwendung, von der Gesundheit (fortschrittliche Bildgebung und Diagnose) über die Geophysik bis hin zur Erforschung natürlicher Ressourcen und autonomer Navigation.
Die Methode ist auch für das Quanten-Neuromorphic-Computing interessant, einen von der Funktionsweise des Gehirns inspirierten Berechnungsansatz, der auf physikalischen Systemen beruht, die kontinuierlich mit ihrer Umgebung interagieren. In diesem Kontext werden Informationen eher durch die kollektive Evolution des Systems als durch isolierte logische Operationen verarbeitet, was die Charakterisierung offener Quantenzustände besonders relevant macht. Die jüngsten Entdeckungen des Teams der Universität Genf geben diesen vielversprechenden Quantentechnologien somit ein Schlüsselwerkzeug für ihre Entwicklung hin zu realen Anwendungen an die Hand.
