Quantenrechner mögen Kälte, und sie erzeugen Wärme. Beides ist ein Problem, denn Superposition und Verschränkung zerfallen, sobald die Umgebung warm wird. Ein neuer Vorschlag in Physical Review Letters dreht die Sache um: Er nutzt eine der am wenigsten greifbaren Quanteneigenschaften, um das Kühlen selbst effizienter zu machen.
Das Team um Tanmoy Biswas von der Universität zu Köln, international besetzt, hat eine theoretische Kühlaufgabe konstruiert. Eine Experimentatorin opfert ein „Assemblage“ – eine Menge etikettierter Quantenzustände –, um einem Wärmebad Energie zu entziehen. Die Zustände müssen endliche Dimension haben, sonst ist ihre Form unbeschränkt; denkbar wären etwa Kernspins in Stickstoff-Fehlstellenzentren im Diamanten. Jeder Zustand ist unterschiedlich und trägt ein eigenes Etikett. Je nach Etikett wird die Energie des Systems auf ein bestimmtes Niveau getrieben. Der Zustand strebt dem thermischen Gleichgewicht entgegen, muss dabei Wärme aus dem Bad aufnehmen – und wird danach verworfen. Der Zyklus beginnt mit einem neuen Zustand von vorn.
Nicht jedes Assemblage kann das. Die, die effektiv kühlen, teilen ein Merkmal: Mit ihnen lässt sich eine Form der Nichtlokalität nachweisen, die als Quanten-Steering bekannt ist. Steering liegt vor, wenn das Messergebnis eines entfernten Beteiligten den Zustand beeinflusst, den der andere nach der Messung hält – ein Phänomen, das Erwin Schrödinger 1935 beschrieb und das Verschränkung plus inkompatible Messungen voraussetzt.
Im Aufbau des Teams wählt Alice zufällig eine Messung an ihrem Teil des verschränkten Zustands. Bobs System nimmt dadurch, ohne dass er es weiß, eine bestimmte Form an. Alice fungiert dann als virtuelle Beraterin: Sie teilt Bob – notfalls per Telefon – Messung und Ergebnis mit. Zusammen legen sie Bobs Zustand nach der Messung fest und sagen ihm, was zu tun ist. Kurioserweise hat Alice keinen Zugang zum Wärmebad und hilft dennoch, das Assemblage zu präparieren, mit dem gekühlt wird.
Das Ergebnis: Assemblagen, die Steering zeigen, bieten einen strikten Vorteil gegenüber solchen, die nur klassische Korrelationen aufweisen. „Unser Ziel war nicht, einen Vorteil für einen bestimmten Quantenzustand zu zeigen, sondern einen universellen Zusammenhang zwischen Quanten-Steering und thermodynamischer Leistung herzustellen“, sagt Biswas. Steering werde bereits für Wärmekraftmaschinen, zum Zertifizieren von Verschränkung und zur Erzeugung von Zufälligkeit genutzt; die hier betrachtete Kühlaufgabe ist dagegen nicht kryptografisch, Verschränkung wirkt nur indirekt.
Offen bleibt, welche Operationen und Assemblagen für die Aufgabe optimal sind. Die Forscher hoffen auf Anwendung in realen Plattformen – Ionenfallen und supraleitende Qubits. Der interessanteste Punkt für Biswas ist ohnehin grundsätzlicher Natur: „Jede steuerbare Quantenkorrelation, egal wie schwach, kann einen echten thermodynamischen Vorteil beim Kühlen liefern.“
