Forscher nutzen die Quantenmechanik, um Objekte zu sehen, ohne sie anzusehen

Wir sehen die Welt um uns herum, weil Licht von spezialisierten Zellen in unserer Netzhaut absorbiert wird. Aber kann Sehen ohne jegliche Absorption stattfinden, ohne auch nur ein einziges Lichtteilchen? Überraschenderweise lautet die Antwort ja.

Stellen Sie sich vor, Sie haben eine Kamerakassette, die eine Rolle Fotofilm aufnehmen könnte. Die Walze ist so empfindlich, dass schon der Kontakt mit einem einzigen Photon sie zerstören würde. Bei unseren klassischen Alltagsmitteln gibt es keine Möglichkeit zu wissen, ob Film in der Patrone ist, aber in der Quantenwelt es kann getan werden. Anton Zeilinger, einer der Träger des Physik-Nobelpreises 2022, hat erstmals die Idee eines wechselwirkungsfreien Experiments mittels Optik experimentell umgesetzt.

Jetzt haben Shruti Dogra, John J. McCord und Gheorghe Sorin Paraoanu von der Aalto-Universität in einer Studie, die die Verbindung zwischen der Quantenwelt und der klassischen Welt untersucht, einen neuen, viel effizienteren Weg entdeckt, um Experimente ohne Interaktion durchzuführen. Das Team verwendete Transmon-Geräte – supraleitende Schaltungen, die relativ groß sind, aber dennoch Quantenverhalten zeigen – um das Vorhandensein von Mikrowellenimpulsen zu erkennen, die von klassischen Instrumenten erzeugt werden. Ihre Forschungsergebnisse wurden kürzlich in veröffentlicht Naturkommunikation.

Ein Erlebnis mit einer Extraschicht „Quantität“

Obwohl Dogra und Paraoanu von der Arbeit von Zeilingers Forschungsgruppe fasziniert waren, konzentriert sich ihr Labor auf Mikrowellen und Supraleiter statt auf Laser und Spiegel. „Wir mussten das Konzept an die verschiedenen experimentellen Werkzeuge anpassen, die für supraleitende Geräte verfügbar sind.“ Aus diesem Grund mussten wir auch das Standardprotokoll ohne Interaktion entscheidend modifizieren: Wir fügten eine weitere Ebene der „Quantität“ hinzu, indem wir ein höheres Energieniveau verwendeten des Transmons. Dann nutzten wir die Quantenkohärenz des resultierenden Drei-Ebenen-Systems als Ressource“, sagt Paraoanu.

Quantenkohärenz bezieht sich auf die Möglichkeit, dass ein Objekt gleichzeitig zwei verschiedene Zustände einnehmen kann, die Quantenphysik ermöglichen. Jedoch, Quantenkohärenz ist empfindlich und fällt leicht auseinander, daher war es nicht sofort offensichtlich, dass das neue Protokoll funktionieren würde. Zur angenehmen Überraschung des Teams zeigten frühe Versuche des Experiments eine deutliche Steigerung der Erkennungseffizienz. Sie kehrten mehrmals zum Reißbrett zurück, ließen theoretische Modelle laufen, die ihre Ergebnisse bestätigten, und überprüften alles noch einmal. Der Effekt war definitiv da.

„Wir haben auch gezeigt, dass mit unserem Protokoll sogar sehr schwache Mikrowellenimpulse effizient detektiert werden können“, sagt Dogra.

Das Experiment zeigte auch einen neuen Weg, auf dem Quantengeräte Ergebnisse erzielen können, die für klassische Geräte nicht möglich sind – ein Phänomen, das als Quantenvorteil bekannt ist. Forscher glauben im Allgemeinen, dass das Erreichen eines Quantenvorteils Quantencomputer mit vielen Qubits erfordert, aber dieses Experiment zeigte einen echten Quantenvorteil mit einem relativ einfacheren Aufbau.

Mögliche Anwendungen in vielen Arten der Quantentechnologie

Wechselwirkungsfreie Messungen, die auf der älteren, weniger effizienten Methodik basieren, haben bereits Anwendungen in spezialisierten Prozessen wie der optischen Bildgebung, der Rauscherkennung und der kryptografischen Schlüsselverteilung gefunden. Das neue und verbesserte Verfahren könnte die Effizienz dieser Prozesse deutlich steigern.

“Im Quantencomputing könnte unsere Methode angewendet werden, um Mikrowellen-Photonen-Zustände in bestimmten Speicherelementen zu diagnostizieren. Dies kann als sehr effizienter Weg angesehen werden, Informationen zu extrahieren, ohne den Betrieb des Quantenprozessors zu stören”, sagt Paraoanu.

Die von Paraoanu geleitete Gruppe untersucht mit ihrem neuen Ansatz auch andere exotische Formen der Informationsverarbeitung, wie die kontrafaktische Kommunikation (Kommunikation zwischen zwei Parteien, ohne dass physikalische Partikel übertragen werden) und die kontrafaktische Kommunikation Quanten-Computing (wobei das Ergebnis einer Berechnung erhalten wird, ohne den Computer tatsächlich laufen zu lassen).