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Nach 25 Jahren lässt sich die „andere“ Quantenverschränkung endlich messen
Mehrteilige Quantenverschränkung lässt sich nur schwer vollständig bestimmen, weil die Zahl nötiger Einzelmessungen mit jedem zusätzlichen Qubit stark wächst. Für den sogenannten W-Zustand haben Physiker nun erstmals eine skalierbare verschränkte Messung experimentell demonstriert. Bei drei Photonen erreichte das Verfahren eine mittlere Messgüte von rund 87 Prozent und könnte komplexe Quantennetzwerke vereinfachen.
Kyoto (Japan). Quantenverschränkung verbindet mehrere Teilchen so, dass sich ihr gemeinsamer Zustand nicht mehr als Summe unabhängiger Einzelzustände beschreiben lässt. Bei Systemen aus mehr als zwei Qubits treten verschiedene Klassen dieser Verschränkung auf, darunter der Greenberger-Horne-Zeilinger-Zustand, kurz GHZ-Zustand, und der W-Zustand.
Beim W-Zustand verteilt sich eine einzelne Anregung gleichmäßig auf mehrere Qubits, was für drei Photonen vereinfacht einer Überlagerung entspricht, in der jeweils genau eines der Photonen anders polarisiert ist. Während solche Mehrteilchenzustände mit der üblichen Quantentomografie aus vielen Einzelmessungen rekonstruiert werden, wächst die dafür nötige Messzahl mit der Zahl der Qubits exponentiell.
Forscher der Kyoto University (KU) um Prof. Shigeki Takeuchi haben nun ein skalierbares Verfahren entwickelt, das einen W-Zustand nicht erst aus vielen Einzelmessungen rekonstruiert, sondern über eine verschränkte Messung direkt einer W-Basis zuordnet. Bei GHZ-Zuständen existieren solche Mehrteilchenmessungen bereits, für W-Zustände gab es dagegen zwar theoretische Spezialvorschläge, aber bislang kein skalierbares Verfahren mit experimentellem Nachweis.
„Mehr als 25 Jahre nach dem ursprünglichen Vorschlag für eine verschränkte Messung von GHZ-Zuständen haben wir nun endlich auch die verschränkte Messung für den W-Zustand erreicht, einschließlich einer echten experimentellen Demonstration für Drei-Photonen-W-Zustände“, sagt Shigeki Takeuchi.
Der Ansatz nutzt eine zyklische Verschiebungssymmetrie des W-Zustands, bei der ein zyklisches Vertauschen der Qubit-Positionen einen charakteristischen Phasenfaktor erzeugt. Diesen quantenmechanischen Fingerabdruck lesen die Forscher mit einer optischen Schaltung für eine diskrete Fourier-Transformation aus.
In der Schaltung werden die Photonen nach ihrer Polarisation getrennt und durch einen Drei-Moden-Interferometer geführt, dessen Ausgangsmuster verraten, zu welcher W-Komponente der gemessene Zustand gehört. Im idealen Fall kann das Schema die vorgesehenen W-Basiszustände mit voller Effizienz unterscheiden, ohne zuvor eine vollständige Quantentomografie durchführen zu müssen.
Für den experimentellen Test nutzte das Team drei einzeln präparierte Photonen in vollständig separierbaren Eingangszuständen, deren messbare Anteile jedoch genau die W-Komponenten enthalten, auf die das neue Verfahren projiziert. Dadurch ließ sich die verschränkte Messung mit besonders gut kontrollierbaren Eingängen prüfen, ohne zunächst hochreine W-Zustände als Testzustände erzeugen zu müssen.
Die mittlere Messdiskriminations-Fidelität lag bei 0,871 ± 0,039 und beschreibt, wie zuverlässig die Schaltung die richtige W-Komponente erkennt. Der Wert liegt klar über der Grenze von zwei Dritteln, die eine nur bisepare Messung erreichen kann, bei der nicht alle drei Qubits gemeinsam verschränkt gemessen werden. Die Autoren werten dies deshalb als experimentellen Nachweis einer echten Drei-Qubit-W-Messung.
Von der idealen Zuverlässigkeit blieb der Versuchsaufbau vor allem wegen praktischer Unvollkommenheiten bei der Photonenpräparation und in der optischen Messschaltung entfernt. Als mögliche Fehlerquellen nennen die Forscher zeitliche Schwankungen der Lichtpulse, eine nicht vollständige Ununterscheidbarkeit einzelner Photonen und polarisationabhängige Phasenverschiebungen in optischen Bauteilen.