Medienmitteilung der Universität Innsbruck vom 21.04.2023

Neuer Weg zur Verschränkung hochdimensionaler Quantensysteme

Quantencomputer rechnen nicht mehr nur mit Null und Eins wie ihr klassisches Gegenstück, sondern unterstützen flexible höherdimensionale Informationskodierung. Physiker der Universität Innsbruck haben nun eine neue Methode demonstriert, um solche hochdimensionalen Informationsträger effizient und mit hoher Güte zu verschränken.

Während wir aus dem täglichen Leben gewohnt sind mit den Ziffern Null bis Neun zu rechnen, arbeiten Computer für gewöhnlich nur mit binärer Information: Null und Eins. Die Zahl 9 stellt ein Computer als 1001 dar.

Die heutigen Quantencomputer sind aus dieser binären Denkweise gewachsen. Die Quantensysteme, in denen die Information gespeichert wird, unterstützen aber nicht nur Quantenbits (Qubits), sondern auch Quantendigits (Qudits), wie ein Team um Martin Ringbauer vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck kürzlich gezeigt hat. „Die Herausforderung bei Qudit-basierten Quantencomputern ist die effiziente Erzeugung von Verschränkung zwischen den hochdimensionalen Systemen“ erklärt Pavel Hrmo von der ETH Zürich.

Das Team um Martin Ringbauer berichtet nun in der Fachzeitschrift Nature Communications über eine neue Methode hochdimensionale Qudits in einem Quantencomputer zu verschränken und ebnet damit den Weg für noch effizientere Quantencomputer.

Denken wie ein Quantencomputer

Das Beispiel der Zahl 9 zeigt, dass die Rechnung 9 x 9 = 81 im Kopf zwar leicht gelöst werden kann, ein klassischer Computer oder Taschenrechner 1001 x 1001 aber in vielen Einzelschritten berechnen muss. Mit klassischen Computern können wir uns das erlauben, bei Quantencomputern aber, die extrem sensibel auf Umwelteinflüsse reagieren, müssen Rechnungen mit so wenig Schritten wie möglich durchgeführt werden.

Eine der besonderen Eigenschaften von Quantensystemen, und von zentraler Bedeutung für die überragende Rechenleistung von Quantencomputern, ist Verschränkung. Um dieses Potential auszunutzen, ist es von zentraler Bedeutung, Verschränkung hochdimensionaler Systeme auf effiziente und robuste Weise zu erzeugen.

Die natürliche Sprache des Quantencomputers

Die Forscher an der Universität Innsbruck haben nun eine neue Methode demonstriert, um zwei Qudits mit jeweils bis zu fünf Zuständen maximal zu verschränken. Diese Methode gibt sowohl theoretischen, als auch Experimentalphysikern ein neues Werkzeug zur Hand, um die Entwicklung nichtbinärer Quantencomputer zu beschleunigen.

Martin Ringbauer erklärt: „Quantensysteme, wie etwa gespeicherte Ionen, haben viel mehr als nur zwei Zustände, die zur Informationsverarbeitung verwendet werden können.“ Viele der anspruchsvollsten Probleme der heutigen Zeit, in so unterschiedlichen Bereichen wie Chemie, Physik oder Optimierung, können von dieser natürlicheren Sprache des Quantencomputers profitieren.

Die Forschungen wurden unter anderem vom Österreichischen Wissenschaftsfonds FWF, der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft FFG, dem Europäischen Forschungsrat ERC, der Europäischen Union und der Industriellenvereinigung Tirol finanziell unterstützt.

Originalpublikation:
Native qudit entanglement in a trapped ion quantum processor. Pavel Hrmo, Benjamin Wilhelm, Lukas Gerster, Martin W. van Mourik, Marcus Huber, Rainer Blatt, Philipp Schindler, Thomas Monz, Martin Ringbauer. Nature Communications 14, 2242 (2023) (Open Access)

Externer Link: www.uibk.ac.at

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 06.04.2023

Forschende des KIT entwickeln erstmals zweidimensionalen photonischen Zeitkristall – Anwendung verspricht Fortschritte in der drahtlosen Kommunikation und bei Lasern

Photonische Zeitkristalle, deren Eigenschaften sich periodisch ändern, versprechen wesentliche Fortschritte in Mikrowellentechnik, Optik und Photonik. Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben nun zusammen mit Partnern an der Aalto University und der Stanford University erstmals einen zweidimensionalen photonischen Zeitkristall hergestellt und wichtige Anwendungen demonstriert. Ihr Ansatz vereinfacht die Herstellung photonischer Zeitkristalle und kann die Effizienz künftiger Kommunikationssysteme verbessern. Die Forschenden berichten in Science Advances.

Zeitkristalle gehören im weitesten Sinne zu den sogenannten Metamaterialien, die künstlich hergestellt sind und Eigenschaften aufweisen, wie sie in der Natur nicht vorkommen. 2012 stellte der Physik-Nobelpreisträger Frank Wilczek erstmals das faszinierende Konzept der Zeitkristalle vor. Anders als gewöhnliche Kristalle ändern Zeitkristalle ihre Eigenschaften nicht im Raum, sondern periodisch in der Zeit. Forschende in der Photonik arbeiten aktuell an ersten optischen Versionen dieser Materialien, die als photonische Zeitkristalle bezeichnet werden. Diese Kristalle besitzen ein großes Potenzial zur Verbesserung drahtloser Kommunikationssignale und können künftig eine neue Generation von Lasern ermöglichen, da Licht, das sich in photonischen Zeitkristallen ausbreitet, effektiv verstärkt werden kann.

Reduktion der Dimensionalität erleichtert Realisierung

Bisher konzentrierte sich die Forschung im Bereich der photonischen Zeitkristalle auf Volumenmaterialien, das heißt dreidimensionale Strukturen. Die Realisierung von photonischen Zeitkristallen in solchen Materialien stellt aber eine enorme Herausforderung dar und die Experimente gingen bisher nicht über Modellsysteme hinaus. Zu praktischen Anwendungen dieser dreidimensionalen Strukturen kam es noch nicht. Forschende vom Institut für Nanotechnologie und vom Institut für Theoretische Festkörperphysik (TFP) des KIT haben nun zusammen mit Partnern der Aalto University in Finnland und der Stanford University in den USA einen neuen Ansatz entwickelt und in der Zeitschrift Science Advances vorgestellt: Das Team hat erstmals einen zweidimensionalen photonischen Zeitkristall gebaut. Dabei handelt es sich um eine ganz dünne Schicht eines solchen Metamaterials. „Wir haben festgestellt, dass die Reduktion der Dimensionalität von einer 3D- auf eine 2D-Struktur die Implementierung erheblich vereinfacht. Dadurch wurde es möglich, photonische Zeitkristalle zu realisieren“, erklärt Dr. Xuchen Wang, der Hauptautor der Studie, der derzeit am KIT in der Gruppe von Professor Carsten Rockstuhl am TFP forscht. Das Team hat eine zweidimensionale elektromagnetische Struktur entwickelt und synthetisiert. Diese enthält periodisch in der Zeit eingebettete, abstimmbare Komponenten, die ihre elektromagnetischen Eigenschaften ändern. Durch den Einsatz dieser Struktur gelang es, das theoretisch vorhergesagte Verhalten experimentell zu bestätigen. „Diese Entdeckung hat erstmals eine starke Wellenverstärkung in photonischen Zeitkristallen ermöglicht“, erläutert Wang.

Photonische Zeitkristalle in 2D machen Kommunikation effizienter

Die wegweisende Entwicklung ermöglicht Fortschritte in verschiedenen Technologien, beispielsweise bei der drahtlosen Kommunikation, bei integrierten Schaltkreisen und bei Lasern. Durch die Verstärkung elektromagnetischer Wellen können drahtlose Sender und Empfänger künftig leistungsfähiger und effizienter werden. Außerdem kann die Beschichtung von Oberflächen mit zweidimensionalen photonischen Zeitkristallen den Signalabfall bei der drahtlosen Übertragung verringern. Dieser stellt häufig einen Engpass dar. Die Verwendung von zweidimensionalen photonischen Zeitkristallen kann zukünftig auch die Konstruktion von Lasern vereinfachen, da komplexe Spiegelsysteme, wie sie normalerweise in Laserresonatoren eingesetzt werden, nicht mehr erforderlich sind.

Eine weitere wichtige Anwendung ergibt sich aus der Erkenntnis, dass photonische Zeitkristalle in 2D nicht nur die eintreffenden elektromagnetischen Wellen im freien Raum verstärken, sondern auch Oberflächenwellen, die für die Kommunikation zwischen elektronischen Komponenten in integrierten Schaltkreisen verwendet werden. Oberflächenwellen leiden unter Verlusten durch Absorption im Material, wodurch die Signalstärke verringert wird. „Durch den Einsatz von zweidimensionalen photonischen Zeitkristallen, die das Ausbreitungsmedium bedecken, lässt sich die Oberflächenwelle verstärken, was die Kommunikationseffizienz verbessert“, sagt Wang. (or)

Originalpublikation:
Xuchen Wang, Mohammad Sajjad Mirmoosa, Viktar S. Asadchy, Carsten Rockstuhl, Shanhui Fan, & Sergei A. Tretyakov: Metasurface-Based Realization of Photonic Time Crystals. Science Advances, 2023. DOI: 10.1126/sciadv.adg7541

Externer Link: www.kit.edu

Medieninformation der Universität Innsbruck vom 03.02.2023

Gefangene Ionen wurden bisher nur über kurze Distanz im Labor miteinander verschränkt. Nun haben die Teams um Tracy Northup und Ben Lanyon an der Universität Innsbruck zwei Ionen über eine Distanz von 230 Metern Luftlinie miteinander verschränkt. Die Knoten des Netzwerks waren in zwei Labors am Campus Technik untergebracht. Das Experiment zeigt, dass Ionen eine vielversprechende Plattform für Quantennetzwerke sind, die sich in Zukunft über Städte und schließlich ganze Kontinente erstrecken werden.

Gefangene Ionen sind eines der führenden Systeme für den Bau von Quantencomputern und anderen Quantentechnologien. Um mehrere solcher Quantensysteme miteinander zu verbinden, braucht es Schnittstellen, über die die Quanteninformation übertragen werden kann. Dazu haben Forscher um Tracy Northup und Ben Lanyon am Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck in den letzten Jahren ein Verfahren entwickelt, bei dem die Atome in optischen Resonatoren gefangen werden, so dass die Quanteninformation effizient auf Lichtteilchen übertragen werden kann. Die Lichtteilchen können dann durch Lichtleiter geschickt werden, um Atome an verschiedenen Orten miteinander zu verbinden. Nun haben deren Forschungsgruppen, gemeinsam mit Theoretikern um Nicolas Sangouard von der Université Paris-Saclay, erstmals zwei Ionen über eine Distanz von mehr als nur wenigen Metern miteinander verschränkt.

Plattform für den Bau von Quantennetzwerken

Die beiden Quantensysteme waren in zwei Laboren aufgebaut, eines im Gebäude des Instituts für Experimentalphysik und eines am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften. „Bisher wurden gefangene Ionen nur im gleichen Labor über wenige Meter miteinander verschränkt. Dies wurde auch mit gemeinsamen Kontrollsystemen und Photonen (Lichtteilchen) realisiert, die auf Grund ihrer Wellenlänge nicht dafür geeignet sind, größere Entfernungen zurückzulegen.“, erklärt Ben Lanyon. Nach Jahren der Forschung und Entwicklung haben die Innsbrucker Physiker*innen es nun geschafft, zwei Ionen über den Campus hinweg miteinander zu verschränken. „Wir haben dazu einzelne mit den Ionen verschränkte Photonen über einen 500 Meter langen Lichtleiter geschickt und miteinander überlagert. Dies überträgt die Verschränkung auf die beiden Ionen.“, schildert Tracy Northup das Experiment. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass gefangene Ionen eine vielversprechende Plattform für die Realisierung zukünftiger großflächiger Netzwerke von Quantencomputern, Quantensensoren und Atomuhren sind.“

Die Teams von Ben Lanyon und Tracy Northup sind Teil der Quantum Internet Alliance, einem internationalen Projekt im Rahmen des Quantum Flagship der Europäischen Union. Die aktuellen Ergebnisse wurden im Fachmagazin Physical Review Letters veröffentlicht. Finanziell unterstützt wurden die Forschungen unter anderem durch den österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und die Europäische Union.

Originalpublikation:
Entanglement of trapped-ion qubits separated by 230 meters. V. Krutyanskiy, M. Galli, V. Krcmarsky, S. Baier, D. A. Fioretto, Y. Pu, A. Mazloom, P. Sekatski, M. Canteri, M. Teller, J. Schupp, J. Bate, M. Meraner, N. Sangouard, B. P. Lanyon, T. E. Northup . Phys. Rev. Lett. 130, 050803

Externer Link: www.uibk.ac.at

Presseaussendung der TU Wien vom 12.12.2022

Zwei scheinbar völlig unterschiedliche Bereiche der Physik hängen auf subtile Art zusammen: Quantentheorie und Thermodynamik. Wie die Chaostheorie dazwischen vermittelt, wurde nun an der TU Wien untersucht.

Ein einzelnes Teilchen hat keine Temperatur. Es hat eine bestimmte Energie oder auch eine bestimmte Geschwindigkeit – aber in eine Temperatur kann man das nicht übersetzen. Nur wenn man es mit zufälligen Geschwindigkeitsverteilungen vieler Teilchen zu tun hat, kann man überhaupt von einer Temperatur sprechen.

Wie sich aus den Gesetzen der Quantenphysik die Gesetze der Thermodynamik ergeben können, ist ein Thema, das in den letzten Jahren wachsende Aufmerksamkeit auf sich gezogen hat. An der TU Wien ging man dieser Frage nun mit Computersimulationen nach und konnte dadurch zeigen, welche zentrale Rolle Chaos dabei spielt: Nur da, wo Chaos herrscht, folgen auch aus der Quantenphysik die wohlbekannten Regeln der Thermodynamik.

Boltzmann: Alles ist möglich, vieles ist unwahrscheinlich

Wenn in einem Raum die Luftmoleküle scheinbar regellos durcheinanderfliegen, dann können diese Moleküle unvorstellbar viele verschiedene Zustände einnehmen: Für jedes einzelne Teilchen sind unterschiedliche Aufenthaltsorte und unterschiedliche Geschwindigkeiten erlaubt. Doch nicht alle diese Zustände sind gleich wahrscheinlich. „Physikalisch wäre es möglich, dass zufällig die gesamte Energie in diesem Raum auf ein einziges Teilchen übertragen wird, das dann mit extrem hoher Geschwindigkeit herumfliegt, während alle anderen Teilchen stillstehen“, sagt Prof. Iva Brezinova vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien. „Aber das ist so unwahrscheinlich, dass man es praktisch nie beobachten wird.“

Die Wahrscheinlichkeiten unterschiedlicher erlaubter Zustände lassen sich berechnen – nach einer Formel, die der österreichische Physiker Ludwig Boltzmann nach den Regeln der klassischen Physik aufstellte. Und aus dieser Wahrscheinlichkeitsverteilung lässt sich dann auch die Temperatur ablesen, die in diesem Raum herrscht: Sie ist nur bei einer großen Zahl von Teilchen bestimmt.

Die ganze Welt als ein einziger Quantenzustand

Das bringt nun aber Probleme mit sich, wenn man sich mit Quantenphysik befasst. Wenn eine größere Zahl von Quantenteilchen gleichzeitig im Spiel ist, dann werden die Gleichungen der Quantentheorie nämlich so kompliziert, dass selbst die besten Supercomputer der Welt keine Chance haben, sie zu lösen.

Man kann in der Quantenphysik die einzelnen Teilchen auch nicht unabhängig voneinander betrachten, wie man das etwa bei klassischen Billardkugeln machen kann. Jede Billardkugel hat ihre eigene individuelle Bahn und zu jedem Zeitpunkt ihren individuellen Aufenthaltsort. Quantenteilchen hingegen haben keine Individualität – man kann sie nur gemeinsam beschreiben, in einer einzigen großen Quanten-Wellenfunktion.

„Quantenphysikalisch wird das gesamte System von einem einzigen großen Vielteilchen-Quantenzustand beschrieben“, sagt Prof. Joachim Burgdörfer (TU Wien). „Wie daraus eine zufällige Verteilung und damit eine Temperatur folgen sollte, blieb lange ungeklärt.“

Die Chaostheorie als Vermittler

Ein Team an der TU Wien konnte nun zeigen, dass Chaos in der Quantenphysik dabei eine zentrale Rolle spielt. Dazu simulierte das Team am Computer Zustände eines Quantensystems, das aus einer großen Zahl von Teilchen besteht – aus vielen einzelnen ununterscheidbaren Teilchen einer Teilchensorte (dem „Wärmebad“) und einem einzelnen „Probeteilchen“, das als Thermometer fungiert. Jede einzelne Quanten-Wellenfunktion des großen Systems hat eine bestimmte Energie, aber keine definierbare Temperatur – ganz wie ein einzelnes klassisches Teilchen. Wenn man aber nun aus dem einzelnen Quantenzustand das Probeteilchen herausgreift und seine Geschwindigkeit misst, dann kann man überraschenderweise eine Geschwindigkeitsverteilung finden, die einer Temperatur entspricht, die zu den längst bekannten Gesetzen der Thermodynamik passt.

„Ob sie passt, entscheidet das Chaos – das konnten wir mit unseren Berechnungen zeigen“, sagt Iva Brezinova. „Wir können nämlich die Wechselwirkungen zwischen den Teilchen am Computer gezielt verändern und so entweder ein völlig chaotisches System erzeugen, oder eines, das überhaupt kein Chaos zeigt – oder auch irgendetwas dazwischen.“ Und dabei stellte man fest: Die Anwesenheit von Chaos entscheidet darüber, ob ein Quantenzustand des Probeteilchens einer Boltzmann-Temperaturverteilung folgt oder nicht.

„Ohne dass man zu Beginn irgendwelche Annahmen über zufällige Verteilungen oder thermodynamische Regeln hineinsteckt, ergibt sich aus der Quantentheorie thermodynamisches Verhalten ganz von selbst – wenn das kombinierte System von Probeteilchen und Wärmebad sich quanten-chaotisch verhält. Und wie genau dieses Verhalten zu den bekannten Boltzmann-Formeln passt, wird von der Stärke des Chaos bestimmt“, erklärt Joachim Burgdörfer.

Damit wurde nun erstmal auf rigorose Weise mit Vielteilchen-Computersimulationen das Zusammenspiel von drei wichtigen Theorien gezeigt: Quantentheorie, Thermodynamik und Chaostheorie. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
M. Kourehpaz et al., Canonical Density Matrices from Eigenstates of Mixed Systems, Entropy 2022, 24(12), 1740.

Externer Link: www.tuwien.at