Kvantfysikere opnår sammenfiltringsrekord

Forvikling er af central betydning for de nye kvanteteknologier i det 21. århundrede. Et tysk-østrigsk forskerhold præsenterer nu det hidtil største sammenfiltrede kvanteregister over individuelt kontrollerbare systemer, bestående af i alt 20 kvantebits. Fysikerne i Innsbruck, Wien og Ulm skubber eksperimentelle og teoretiske metoder til grænserne for, hvad der i øjeblikket er muligt.

Nogle af de nye kvanteteknologier lige fra ekstremt præcise sensorer til universelle kvantecomputere kræver et stort antal kvantebits for at udnytte fordelene ved kvantefysik. Fysikere over hele verden arbejder derfor på at implementere sammenfiltrede systemer med flere kvantebits. Rekorden ejes i øjeblikket af Rainer Blatts forskningsgruppe ved Institute of Experimental Physics ved University of Innsbruck. I 2011, fysikerne sammenfiltrede 14 individuelt adresserbare kvantebits for første gang og realiserede dermed det største fuldstændigt sammenfiltrede kvanteregister. Nu, et forskerhold ledet af Ben Lanyon og Rainer Blatt ved Institute of Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI) fra det østrigske videnskabsakademi, sammen med teoretikere fra Universitetet i Ulm og Institute of Quantum Optics and Quantum Information i Wien, har opnået kontrolleret flerpartikelindvikling i et system med 20 kvantebits. Forskerne var i stand til at opdage ægte flerpartikelforvikling mellem alle nabogrupper på tre, fire og fem kvantebits.

Ægte sammenfiltring af flere partikler

Fysisk, sammenfiltrede partikler kan ikke beskrives som individuelle partikler med definerede tilstande, men kun som et komplet system. Det er særligt vanskeligt at forstå sammenfiltring, når talrige partikler er involveret. Her, der skal skelnes mellem sammenfiltring af individuelle partikler og ægte sammenfiltring af flere partikler. Dette kan kun forstås som en egenskab ved det samlede system for alle berørte partikler, og kan ikke forklares ved en kombination af delsystemerne, der er viklet ind.

På Institute of Quantum Optics and Quantum Information i Innsbruck, teamet af fysikere brugte laserlys til at sammenfiltre 20 calciumatomer i et ionfældeeksperiment og observerede den dynamiske udbredelse af flerpartikelindvikling i dette system. "Partiklerne vikles først ind i par, "beskriver Lanyon." Med metoderne udviklet af vores kolleger i Wien og Ulm, vi kan derefter bevise den videre spredning af sammenfiltringen til alle nabopartikeltrillinger, de fleste firemænd og et par femlinger.

Disse påvisningsmetoder blev udviklet af Martin Plenios forskningsgruppe ved Universitetet i Ulm og Marcus Hubers team ved IQOQI Wien. "Vi har valgt en MacGyver -tilgang, "siger første forfatter Nicolai Friis." Vi var nødt til at finde en måde at opdage sammenfiltring af flere partikler med et lille antal mulige måleindstillinger. "

Forskerne tog en komplementær tilgang:Gruppen omkring Huber og Friis brugte en metode, der kun kræver få målinger, og hvis resultater let kan evalueres. På denne måde, sammenfiltring af tre partikler kunne påvises i forsøget. Teoretikerne fra Ulm brugte en mere kompleks teknik baseret på numeriske metoder. "Selvom denne teknik er effektiv, den når også sine grænser på grund af den kraftige stigning i computerindsatsen på grund af antallet af kvantebit, "siger Oliver Marty fra Martin Plenios forskningsgruppe." Derfor er nytten af ​​denne metode også ophørt med påvisning af reel sammenfiltring af fem partikler. "

Et stort skridt i retning af anvendelse

"Der er kvantesystemer såsom ultrakolde gasser, hvor der er påvist sammenfiltring mellem et stort antal partikler, "siger Nicolai Friis." Dog, Innsbruck -eksperimentet er i stand til at adressere og aflæse hver enkelt kvantebit individuelt. "Den er derfor velegnet til praktiske applikationer som f.eks. kvantesimuleringer eller kvanteinformationsbehandling. Rainer Blatt og hans team håber at øge antallet af kvantebit i eksperimentet. "Vores mellemfristede mål er 50 partikler, "siger han." Dette kan hjælpe os med at løse problemer, som de bedste supercomputere i dag stadig ikke formår. "

Metoderne udviklet til ionfældeforsøget i Innsbruck vil blive brugt mere bredt, fysikerne i Ulm og Wien er overbeviste. "Vi vil skubbe grænserne for vores metoder endnu mere, "siger Friis og Marty." Ved at udnytte symmetrier og fokusere på visse observerbare ting, vi kan yderligere optimere disse metoder til at opdage endnu mere omfattende multi-partikel sammenfiltring.

Undersøgelsen blev offentliggjort i Fysisk gennemgang X .