Quantenverschränkung ohne Transport: Leaky-Qubits bieten einen Weg um laute Kanäle

Forscher haben eine neuartige Methode entdeckt, um Quantenverschränkungen zu erzeugen, ohne die physikalische Bewegung von Quantensystemen zu erfordern, was möglicherweise eine Lösung für eine der größten Herausforderungen im Quantenrechnen darstellt, die Umwelteinwirkung während des Transports. Dieser Durchbruch beinhaltet die Verwendung von "leaky" Qubits, die es ermöglichen, dass sich Verwicklungen natürlich innerhalb eines Systems bilden, anstatt während der Übertragung gestört zu werden. Die Studie, die von Wissenschaftlern der University of Illinois Urbana-Champaign und der University of Chicago durchgeführt wurde, zeigt, wie Verwicklungen durch Dissipation entstehen können, ein Prozess, von dem zuvor angenommen wurde, dass er Quantenzustände abbauen kann.

In ihrem Experiment wurden zwei supraleitende Qubits mit einem unidirektionalen Wellenleiter verbunden, wodurch sie mit elektromagnetischen Feldern interagieren konnten. Durch die Anwendung externer Antriebskräfte induzierte das Team einen Steady-State-Zustand, in dem die Qubits verwickelt wurden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden, die darauf angewiesen sind, Qubits nach der Schaffung von Verwicklungen auseinander zu bewegen, hält dieser Ansatz den verwickelten Zustand auf, ohne dass ein physischer Transport erforderlich ist. Infolgedessen könnte die Verwicklung theoretisch auf unbestimmte Zeit bestehen bleiben, auch über große Entfernungen, was sie stabiler und weniger anfällig für Fehler durch Umgebungslärm macht.

Das Konzept basiert auf früheren theoretischen Vorhersagen, die darauf hindeuteten, dass Verschränkungen durch Dissipation auf natürliche Weise entstehen könnten.

Wolfgang Pfaff, Physikprofessor an der Universität von Illinois in Urbana-Champaign und leitender Forscher auf der Illinois-Seite des Projekts, betonte, wie wichtig es sei, die Transportphase gänzlich zu vermeiden. "In der Vergangenheit bedeutete die Erzeugung von Verschränkungen, eine Reihe von Operationen an verschiedenen Teilen eines Systems durchzuführen und sie dann voneinander zu entfernen", sagte er. "Wie Sie sich vorstellen können, ist es in der Transportphase, wo etwas schief geht und der Umgebungslärm die sorgfältig vorbereiteten Eigenschaften verdirbt.

Aashish Clerk, Professor für Molekulare Ingenieurwissenschaften an der University of Chicago und Leiter des Chicago-Teils der Zusammenarbeit, beschrieb den Mechanismus als vergleichbar mit einem Kühlschrank, der die Verschränkung statt der Temperatur aufrechterhält. "Es ist fast so, als hätte man einen 'Kühlschrank', der externe Einflüsse auspumpt, um die Verschränkung aufrechtzuerhalten, anstatt Wärme auszupumpen, um Kälte aufrechtzuerhalten", bemerkte er. Diese Analogie verdeutlicht, wie das System externe Störungen aktiv verwaltet, um den gewünschten Quantenzustand zu erhalten.

Für die wirksame Funktion von Quantencomputern und -netzwerken ist die Aufrechterhaltung der Verschränkung zwischen entfernten Komponenten unerlässlich. Aktuelle Techniken beinhalten die Vorbereitung von verschränkten Teilchen an einem Ort, bevor sie an einen anderen Ort übertragen werden, aber dieser Prozess setzt die Teilchen der Dekohärenz aus, dem Verlust der Quantenkohärenz aufgrund von Interaktionen mit der Umwelt. Die Forscher argumentieren, dass ihre Methode eine robustere Alternative bietet. Statt sich auf zerbrechliche Transportsysteme zu verlassen, schlagen sie vor, dass die Verschränkung direkt im System aufrechterhalten werden kann. Dieser Ansatz könnte das Risiko der Dekohärenz erheblich reduzieren und die Zuverlässigkeit von Quantengeräten verbessern.

Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Physical Review X veröffentlicht und markieren einen wichtigen Meilenstein auf dem Gebiet der Quanteninformatik. Die Studie eröffnet neue Möglichkeiten für Quantennetzwerke und verteilte Quantenrechner. Durch die Beseitigung der Notwendigkeit des Transports empfindlicher Quantenzustände könnte die Technik skalierbare und fehlertolerante Quantensysteme ermöglichen. Die Forscher planen, die praktischen Anwendungen dieser Methode, einschließlich ihrer Integration in bestehende Quantenhardwareplattformen, weiter zu erforschen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass zukünftige Quantentechnologien davon profitieren könnten, die Dissipation nicht als Hindernis, sondern als Ressource für die Aufrechterhaltung und Generierung von Verschränkungen zu nutzen.