Einem internationalen Team aus Forschenden, darunter auch Wissenschaftler aus Jena, ist es gelungen, eine neue und besonders pr?zise Art der Messung in winzigen Quantensystemen zu entwickeln. Anwendungen sind etwa in der Halbleiter-Fertigung, perspektivisch aber auch der Mobilfunktechnik oder Mikroskopie denkbar. Experimentelle Versuche zum Beleg der Studie wurden u. a. auf Deutschlands erstem Quantencomputer, dem Fraunhofer QSystemOne, durchgeführt. Ihre Ergebnisse haben die Forschenden nun im Fachmagazin ?Nature Physics? ver?ffentlicht.

Messungen sind nicht gleich Messungen. W?hrend sich Gegenst?nde des Alltags, z. B. die Bauteile eines Autos, noch recht einfach hinsichtlich Gr??e, Gewicht und Beschaffenheit vermessen lassen, so sieht es doch ganz anders aus, wenn winzige Quantenobjekte wie z. B. Lichtteilchen auf ihre Eigenschaften hin betrachtet werden sollen.

Einem internationalen Forschungsteam ist es nun gelungen, eine neue Messmethode zu entwickeln, die hochpr?zise Messungen selbst in diesen winzigen Systemen erm?glichen. Zu diesem Zweck machen sich die Forschenden eine faszinierende Eigenschaft von Quantenobjekten zu Nutze: n?mlich deren Verschr?nkung.

Messungen verschr?nkter Quantenobjekte pr?ziser als Messungen am einzelnen Teilchen

Verschr?nkung bedeutet dabei, dass Paare miteinander verschr?nkter Teilchen (z. B. Photonen, also Lichtteilchen) erzeugt werden. Ein jedes Teilchen wei? dabei stets um den exakten Zustand seines ?Zwillings? – selbst dann, wenn dieser weit entfernt ist. Werden nun die zwei miteinander verschr?nkten Teilchen gemessen, so k?nnen deren Eigenschaften exakter bestimmt werden, als wenn jedes Objekt für sich allein gemessen worden w?re, so die Erkenntnis der Forschenden.

?Messaufgaben, etwa in der Interferometrie, k?nnen mit verschr?nkten Zust?nden sehr viel pr?ziser gemacht werden?, erkl?rt Dr. Falk Eilenberger vom Institut für Angewandte Physik der Universit?t Jena und vom Fraunhofer IOF. Er ist Mitautor einer Studie, die nun im Fachmagazin ?Nature Physics? ver?ffentlicht wurde. Er führt weiter aus: ?Bei der Messung jeder Eigenschaft eines Quantensystems ist ein gewisses Rauschen unvermeidlich. Durch die Verschr?nkung der beiden Systeme k?nnen wir dieses Rauschen reduzieren und somit eine genauere Messung erzielen.?

Die Forschungsgruppe testete ihre Theorie an 19 verschiedenen Quantencomputern, darunter auch Deutschlands erster Quantenrechner, der Fraunhofer-IBM-Quantencomputer QSystemOne. ?Der Rechner in Ehning war essenziell für unsere Arbeit?, erl?utert Eilenberger. ?Wir konnten die Maschine besonders genau kalibrieren, was für eine Pr?zisionsmessung absolut notwendig ist.?

Mithilfe des Experiments auf dem Quantencomputer sowie einer Einzelphotonenquelle konnten die Forschenden die fundamental machbaren physikalischen Grenzen des Rauschens erreichen und den Quantenvorteil einer verschr?nkten Messung demonstrieren. Die neue Methode erm?glicht damit Messungen von einer in der Praxis noch nie da gewesener Pr?zision: ?Bis dato gab es zum Rauschen bei Messungen mit verschr?nkten Systemen nur theoretische Vorhersagen zu Grenzen?, er?rtert Tobias Vogl, ebenfalls Mitautor der Studie. ?Wir zeigen nun einen konkreten Weg auf, diese Grenze zu erreichen und demonstrieren damit, dass sie mit Einzelphotonenquellen und Quantencomputern erreichbar ist.?

Die Forschenden hoffen eines Tages sogar drei oder mehr Quantensysteme miteinander verschr?nken zu k?nnen. Auf diese Weise w?re perspektivisch eine noch h?here Pr?zision der Messung m?glich.

Anwendungen in der Interferometrie

Besondere Anwendungspotenziale für die neuesten Forschungsergebnisse ergeben sich in der Interferometrie. Dabei handelt es sich um eine Messmethode, die das Ph?nomen der Interferenz (also ?berlagerung) von (Licht-)Wellen verwendet. Sogenannte ?Interferometer? haben zahlreiche Anwendungen in der Industrie, allem voran in der Pr?zisionsfertigung von Halbleitern sowie von optischen Komponenten. Langfristig betrachtet ist es laut der Forschenden aber auch denkbar, dass die neue Technologie bei der Rauschunterdrückung für Funksignale (6G) oder bei der Untersuchung biologischer Proben im Rahmen der Mikroskopie zum Einsatz kommt.

Die Arbeit der Forschenden leuchtet dabei insbesondere den Zusammenhang zwischen Interferometrie und Quantencomputern deutlich aus. Sie zeigt, dass Konzepte aus beiden Welten zum jeweiligen Nutzen in die andere transferiert werden k?nnen. ?Damit etablieren wir Quantencomputer als Maschinen zum Pr?zisionstest fundamentaler physikalischer Grenzen und Gesetzm??igkeiten?, so Eilenberger.