Drei-Wege-Verschränkungsergebnisse deuten auf bessere Quantencodes hin

Illustration der Erde mit 3 kugelförmigen Formen, die um sie kreisen, sind die Kugeln durch binäre...
Letzten Monat waren drei Wissenschaftlererhielten den Nobelpreis für Physik für ihre Arbeit, die eine der widersprüchlichsten, aber folgenreichsten Realitäten der Quantenwelt beweist. Sie zeigten, dass zwei verschränkte Quantenteilchen als ein einziges System betrachtet werden müssen – ihre Zustände sind unaufhaltsam miteinander verflochten – auch wenn die Teilchen durch große Entfernungen voneinander getrennt sind. In der Praxis bedeutet dieses Phänomen der "Nichtlokalität", dass das System, das Sie vor sich haben, sofort von etwas beeinflusst werden kann, das Tausende von Kilometern entfernt ist.

Die Originalgeschichtewurde mit Genehmigung des Quanta Magazine nachgedruckt, einer redaktionell unabhängigen Publikation der Simons Foundation, deren Aufgabe es ist, das öffentliche Verständnis der Wissenschaft zu verbessern, indem sie über Forschungsentwicklungen und Trends in der Mathematik sowie den Natur- und Lebenswissenschaften berichtet.

Verschränkung und Nichtlokalität ermöglichen es Informatikern, unknackbare Codes zu erstellen. In einer Technik, die als geräteunabhängige Quantenschlüsselverteilung bekannt ist, wird ein Teilchenpaar verschränkt und dann auf zwei Personen verteilt. Die gemeinsamen Eigenschaften der Teilchen können nun als Code dienen, der die Kommunikation auch von Quantencomputern schützt - Maschinen, die in der Lage sind, klassische Verschlüsselungstechniken zu durchbrechen.

Aber warum bei zwei Teilchen aufhören? Theoretisch gibt es keine Obergrenze, wie viele Teilchen einen verschränkten Zustand teilen können. Seit Jahrzehnten haben sich theoretische Physiker Drei-Wege-, Vier-Wege- und sogar 100-Wege-Quantenverbindungen vorgestellt - die Art von Dingen, die ein vollständig verteiltes quantengeschütztes Internet ermöglichen würden. Jetzt hat ein Labor in China eine scheinbar nichtlokale Verschränkung zwischen drei Teilchen gleichzeitig erreicht, was möglicherweise die Stärke der Quantenkryptographie und die Möglichkeiten für Quantennetzwerke im Allgemeinen erhöht.

"Zwei-Parteien-Nichtlokalität ist verrückt genug", sagte Peter Bierhorst, Quanteninformationstheoretiker an der Universität von New Orleans. "Aber es stellt sich heraus, dass die Quantenmechanik Dinge tun kann, die sogar darüber hinausgehen, wenn man drei Parteien hat."

Physiker haben schon mehr als zwei Teilchen verschränkt. Der Rekord liegt irgendwo zwischen14 Teilchen und 15 Billionen, je nachdem, wen man fragt. Aber diese waren nur über kurze Strecken, höchstens Zentimeter voneinander entfernt. Um die Mehrparteienverschränkung für die Kryptographie nutzbar zu machen, müssen Wissenschaftler über die einfache Verschränkung hinausgehen und Nichtlokalität nachweisen - "eine hohe Messlatte", sagteElie Wolfe, Quantentheoretiker am Perimeter Institute for Theoretical Physics in Waterloo, Kanada.

Der Schlüssel zum Nachweis der Nichtlokalität besteht darin, zu testen, ob die Eigenschaften eines Teilchens mit den Eigenschaften des anderen übereinstimmen - das Kennzeichen der Verschränkung -, sobald sie weit genug voneinander entfernt sind, dass nichts anderes die Auswirkungen verursachen könnte. Zum Beispiel könnte ein Teilchen, das sich noch physisch in der Nähe seines verschränkten Zwillings befindet, Strahlung emittieren, die das andere beeinflusst. Aber wenn sie eine Meile voneinander entfernt sind und praktisch augenblicklich gemessen werden, dann sind sie wahrscheinlich nur durch Verschränkung verbunden. Die Experimentatoren verwenden eine Reihe von Gleichungen, die Bell-Ungleichungen genannt werden, um alle anderen Erklärungen für die verknüpften Eigenschaften der Teilchen auszuschließen.

Mit drei Teilchen ist der Prozess des Beweises der Nichtlokalität ähnlich, aber es gibt mehr Möglichkeiten, dies auszuschließen. Dies erhöht die Komplexität sowohl der Messungen als auch der mathematischen Reifen, durch die die Wissenschaftler springen müssen, um die nichtlokale Beziehung der drei Teilchen zu beweisen. "Man muss einen kreativen Weg finden, um es anzugehen", sagte Bierhorst - und die Technologie haben, um genau die richtigen Bedingungen im Labor zu schaffen.

In den im August veröffentlichten Ergebnissen machte ein Team in Hefei, China, einen entscheidenden Sprung nach vorne. Erstens, indem sie Laser durch eine spezielle Art von Kristall schossen, verschränkten sie drei Photonen und platzierten sie in verschiedenen Bereichen der Forschungseinrichtung, Hunderte von Metern voneinander entfernt. Dann maßen sie gleichzeitig eine zufällige Eigenschaft jedes Photons. Die Forscher analysierten die Messungen und fanden heraus, dass die Beziehung zwischen den drei Teilchen am besten durch Drei-Wege-Quanten-Nichtlokalität erklärt werden konnte. Es war die bisher umfassendste Demonstration der Drei-Wege-Nichtlokalität.

https://www.wired.com/story/three-way-entanglement-results-hint-at-better-quantum-codes/