Quantencomputing: Supraleitende Qubits haben einen wichtigen Quantentest bestanden

Ein Bell-Test kann bestätigen, ob zwei Systeme tatsächlich verschränkt sind – er wurde nun verwendet, um die Verschränkung zwischen Qubits in supraleitenden Schaltkreisen zu bestätigen

Von Leah Crane

10. Mai 2023

Ein IBM-Quantencomputer, der supraleitende Qubits verwendet

IBM

Zum ersten Mal hat ein supraleitender Schaltkreis einen Bell-Test bestanden, den wichtigsten Test in der Physik zur Bestätigung des Quantenverhaltens eines Systems. Diese Schaltkreise werden in Quantencomputern verwendet und dieser Test beweist, dass ihre Quantenbits tatsächlich verschränkt sind.

Wenn zwei Teilchen miteinander verschränkt sind, wirkt sich die Messung der Eigenschaften des einen sofort auf die gemessenen Eigenschaften des anderen aus, was als nicht-lokale Korrelation bezeichnet wird. Wenn dies geschieht, bedeutet dies, dass sich die Auswirkungen der Verschränkung schneller als das Licht ausbreiten müssen. Der Test für diesen seltsamen Quanteneffekt heißt Bellsche Ungleichung, die eine Grenze dafür festlegt, wie oft Teilchen zufällig in denselben Zustand gelangen können, ohne dass eine tatsächliche Verschränkung vorliegt. Die Verletzung der Bellschen Ungleichung ist ein Beweis dafür, dass ein Teilchenpaar tatsächlich verschränkt ist.

Bell-Tests wurden in vielen Systemen durchgeführt, jedoch nie an einem supraleitenden Schaltkreis. Für den Test müssen die beiden verschränkten Systeme so weit voneinander entfernt sein, dass in der Zeit, die zur Messung beider Systeme benötigt wird, kein Signal mit Lichtgeschwindigkeit zwischen ihnen hätte wandern können. Dies lässt sich in einem supraleitenden Schaltkreis nur schwer testen, da das Ganze auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt gehalten werden muss. Simon Storz von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich und seinen Kollegen ist es erstmals gelungen, einen Bell-Test an einer solchen Schaltung durchzuführen.

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Sie verbanden die beiden verschränkten Teile des Schaltkreises, Quantenbits oder Qubits genannt, mithilfe von Mikrowellen, die durch ein gekühltes 30 Meter langes Aluminiumrohr geschickt wurden, wobei jedes Qubit in seinem eigenen Kühlschrank aufbewahrt wurde. Anschließend verwendeten sie einen Zufallszahlengenerator, um zu entscheiden, welche Art von Messung an den Qubits durchgeführt werden sollte, um jegliche menschliche Voreingenommenheit zu vermeiden.

Die Forscher führten mehr als 4 Millionen Messungen mit einer Rate von 12.500 Messungen pro Sekunde durch – eine Geschwindigkeit, die notwendig ist, um sicherzustellen, dass jedes Messpaar schneller erfolgt, als Licht durch die Röhre zwischen den beiden Qubits wandern kann. Als sie alle diese Datenpunkte zusammen analysierten, stellten sie mit hoher Sicherheit fest, dass die Bellsche Ungleichung verletzt war und die Qubits tatsächlich, wie Albert Einstein es nannte, „spukhafte Fernwirkungen“ durchliefen, wie erwartet.

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„Der Test bestätigt die Fähigkeit der Plattform, diese einzigartigen Quantenmerkmale für technologische Anwendungen zu nutzen“, sagt Storz. Der Erfolg der Verbindung der Qubits über 30 Meter sei besonders vielversprechend für Quantencomputing und Verschlüsselung, sagt er. „Dies ist ein möglicher Weg zur Vergrößerung supraleitender, auf Schaltkreisen basierender Quantencomputer, beispielsweise in zukünftigen Quanten-Supercomputer-ähnlichen Zentren.“

Zeitschriftenreferenz:

Natur-DOI: 10.1038/s41586-023-05885-0

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