Langstrecken-Verschränkung geglückt:
wichtig für Quantenrechner

Quantencomputer versprechen enorme Rechenleistungen, doch ihre Entwicklung stellt Forscher vor Herausforderungen. Ein Team hat nun einen Durchbruch erzielt: Sie konnten Quantenverschränkung über große Distanzen in einem System mit 54 Quantenbits erzeugen.

Quantensprung: 54 Qubits über Distanz verschränkt

Anders als klassische Computer, die mit stabilen Elektronen arbeiten, basieren Quantencomputer auf winzigen Quantensystemen, die durch geringste Umwelteinflüsse wie Temperatur, elektromagnetische Strahlung oder mechanische Vibrationen gestört werden können. Jede Störung kann die fragilen Quantenzustände zerstören und Berechnungen unmöglich machen. Deshalb müssen Wissenschaftler Wege finden, diese empfindlichen Systeme zu stabilisieren und ihre Informationsverarbeitung zu schützen.

Quantenverschränkung ist ein Phänomen, bei dem zwei oder mehr Quantenteilchen so miteinander verbunden sind, dass der Zustand des einen Teilchens nicht unabhängig vom anderen beschrieben werden kann. Dies ist grundlegend für Quantencomputer. Das Forscherteam von IBM Quantum, der Universität Köln und der Harvard University nutzte den IBM-Quantencomputer "ibm_sherbrooke" mit 127 Quantenbits (Qubits). Qubits sind die Grundbausteine der Quanteninformation und können, anders als klassische Bits, mehrere Zustände gleichzeitig annehmen.


Die Wissenschaftler verwendeten ein innovatives Protokoll mit wenigen Quantengattern. Quantengatter sind Operationen, die den Zustand von Qubits verändern, ähnlich wie logische Gatter in klassischen Computern. Das Protokoll erzeugt eine minimale Verschränkung zwischen zwei Qubit-Gruppen und misst dann eine Gruppe. Diese Messung beeinflusst die andere Gruppe aufgrund der Quantenverschränkung, was als Messrückkopplung bezeichnet wird.

Die wichtigsten Durchbrüche der Forscher:

Ein Höhepunkt des Experiments war die Beobachtung eines Nishimori-Übergangs. In der Physik beschreibt ein Phasenübergang eine plötzliche Änderung der Systemeigenschaften, wie etwa beim Schmelzen von Eis zu Wasser. Der Nishimori-Übergang ist ein spezieller Phasenübergang, der im Quantensystem spontan auftrat. Dies basiert auf der Born'schen Regel, einem Grundprinzip der Quantenmechanik, das die Wahrscheinlichkeit von Messergebnissen in Quantensystemen beschreibt.

Nächste Schritte geplant

Die in Nature Physics veröffentlichte Studie zeigt, wie die Forscher klassisches Dekodieren nutzten, um die Quantenordnung im System trotz Störungen (Rauschen) zu erhalten. Klassisches Dekodieren bedeutet hier, dass die Ergebnisse der Quantenmessungen mit herkömmlichen Computermethoden verarbeitet wurden.

Diese Erkenntnisse könnten die Entwicklung größerer und stabilerer Quantenprozessoren fördern. IBM Quantum arbeitet bereits an der Weiterentwicklung dieser Technologie und strebt bis 2029 ein Quantensystem an, das Fehler selbstständig korrigieren kann - ein entscheidender Schritt für praktisch nutzbare Quantencomputer.


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