Physiker am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) haben eine vollständig autonome Methode demonstriert, um entfernte Quantenbits zu verschränken — ein Durchbruch, der am 31. August in Physical Review X veröffentlicht wurde und eine theoretische Vorhersage von vor über 20 Jahren bestätigt.
Das Team unter der Leitung von Doktorand Alejandro Andres-Juanes und Professor Johannes Fink schuf einen Quantenbath: eine gemeinsame Umgebung aus korrelierten Mikrowellen-Photonen, die entfernte Qubits automatisch in einen verschränkten Zustand drängt und dort hält. Im Gegensatz zu früheren Methoden, die wiederholte Messungen und aktive Steuerung erfordern, benötigt dieser Ansatz kein menschliches Eingreifen.
Verschränkung — das Quantenphänomen, bei dem Teilchen Korrelationen teilen, die in der klassischen Physik unmöglich sind — ist wesentlich für den Aufbau größerer Quantencomputer und zukünftiger Quantennetze. Die Erstellung verteilter Verschränkung zwischen physisch getrennten Qubits erforderte normalerweise entweder das aktive Senden von Photonen zwischen Qubits oder das Emittieren von Photonen durch jedes Qubit, die dann abgeglichen wurden. Letzterer Ansatz wurde mit dem Nobelpreis für Physik 2022 ausgezeichnet, hängt aber weiterhin von wiederholten Messungen ab und ist nicht immer erfolgreich.
Im ISTA-Experiment koppelten die Forscher Qubits mit einer verschränkten Photonquelle über Mikrowellen-Photonen und erzeugten einen neuen Grundzustand durch einen kontinuierlichen Strom korrelierter Photonen. Der verschränkte Qubit-Zustand bleibt selbst über die Lebensdauer der Qubits hinaus stabil und steht immer als Ressource für weitere Quantenverarbeitung zur Verfügung — im Gegensatz zu temporärer Verschränkung, die in einem kurzen Fenster genutzt werden muss.
Das Team bestätigte die Verschränkung mittels Quantentomographie und führte Messungen durch, die nur 20-80 Nanosekunden dauerten, um das Verhalten des Quantensystems zu rekonstruieren.
Wir präsentieren eine relativ einfache Methode, die hochskaliert werden könnte, um mehrere entfernte Qubits zu synchronisieren, sagte Andres-Juanes. Die Methode überträgt jedoch derzeit nur etwa 10% der verfügbaren Verschränkung des Bads, was Raum für Verbesserungen lässt.
Die Forscher stellten fest, dass die ursprüngliche Theorie unter idealisierten Bedingungen entwickelt wurde, die experimentell schwer zu reproduzieren sind, was erklären könnte, warum es über zwei Jahrzehnte dauerte, sie zu demonstrieren. Der Prototyp könnte neue Möglichkeiten für Quantenoptik-Experimente bieten und zur Erweiterung von Quantenprozessoren hin zu fehlertolerantem Betrieb beitragen.
