Verstrengeling is van cruciaal belang voor de nieuwe kwantumtechnologieën van de 21e eeuw. Een Duits-Oostenrijks onderzoeksteam presenteert nu het grootste verstrengelde kwantumregister van individueel regelbare systemen tot nu toe, bestaande uit in totaal 20 kwantumbits. De natuurkundigen in Innsbruck, Vienna en Ulm duwen experimentele en theoretische methoden tot het uiterste van wat momenteel mogelijk is.

Sommige van de nieuwe kwantumtechnologieën, variërend van uiterst nauwkeurige sensoren tot universele kwantumcomputers, vereisen een groot aantal kwantumbits om de voordelen van de kwantumfysica te benutten. Natuurkundigen over de hele wereld werken daarom aan het implementeren van verstrengelde systemen met meer quantumbits. Het record is momenteel in handen van de onderzoeksgroep van Rainer Blatt aan het Institute of Experimental Physics van de Universiteit van Innsbruck. In 2011, de natuurkundigen verstrengelden voor het eerst 14 individueel adresseerbare kwantumbits en realiseerden zo het grootste volledig verstrengelde kwantumregister. Nutsvoorzieningen, een onderzoeksteam onder leiding van Ben Lanyon en Rainer Blatt aan het Institute of Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI) van de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen, samen met theoretici van de Universiteit van Ulm en het Institute of Quantum Optics and Quantum Information in Wenen, heeft gecontroleerde verstrengeling van meerdere deeltjes bereikt in een systeem van 20 kwantumbits. De onderzoekers waren in staat om echte verstrengeling van meerdere deeltjes te detecteren tussen alle aangrenzende groepen van drie, vier en vijf kwantumbits.

Echte verstrengeling van meerdere deeltjes

fysiek, verstrengelde deeltjes kunnen niet worden beschreven als individuele deeltjes met gedefinieerde toestanden, maar alleen als een compleet systeem. Het is bijzonder moeilijk om verstrengeling te begrijpen wanneer er meerdere deeltjes bij betrokken zijn. Hier, er moet een onderscheid worden gemaakt tussen verstrengeling van individuele deeltjes en echte verstrengeling van meerdere deeltjes. Dit kan alleen worden begrepen als een eigenschap van het totale systeem van alle betrokken deeltjes, en kan niet worden verklaard door een combinatie van de verstrengelde subsystemen.

Aan het Instituut voor kwantumoptica en kwantuminformatie in Innsbruck, het team van natuurkundigen gebruikte laserlicht om 20 calciumatomen te verstrengelen in een ionenval-experiment en observeerde de dynamische voortplanting van verstrengeling van meerdere deeltjes in dit systeem. "De deeltjes zijn eerst in paren verstrengeld, " beschrijft Lanyon. "Met de methoden die zijn ontwikkeld door onze collega's in Wenen en Ulm, we kunnen dan de verdere verspreiding van de verstrengeling naar alle naburige deeltjestripletten bewijzen, de meeste vierlingen en een paar vijflingen.

Deze detectiemethoden zijn ontwikkeld door de onderzoeksgroep van Martin Plenio aan de Universiteit van Ulm en het team van Marcus Huber bij IQOQI Wenen. "We hebben gekozen voor een MacGyver-aanpak, " zegt eerste auteur Nicolai Friis. "We moesten een manier vinden om verstrengeling van meerdere deeltjes te detecteren met een klein aantal haalbare meetinstellingen."

De onderzoekers pakten een complementaire benadering aan:de groep rond Huber en Friis gebruikte een methode die slechts enkele metingen vereist en waarvan de resultaten gemakkelijk kunnen worden geëvalueerd. Op deze manier, de verstrengeling van drie deeltjes kon in het experiment worden aangetoond. De theoretici uit Ulm gebruikten een complexere techniek op basis van numerieke methoden. "Hoewel deze techniek efficiënt is, het bereikt ook zijn limieten vanwege de sterke toename van de rekeninspanning als gevolg van het aantal kwantumbits, ", zegt Oliver Marty van de onderzoeksgroep van Martin Plenio. "Daarom kwam het nut van deze methode ook ten einde met de detectie van echte vijfdeeltjesverstrengeling."

Een grote stap richting toepassing

"Er zijn kwantumsystemen zoals ultrakoude gassen waarin verstrengeling tussen een groot aantal deeltjes is gedetecteerd, " zegt Nicolai Friis. "Echter, het Innsbruck-experiment is in staat om elke afzonderlijke kwantumbit afzonderlijk aan te pakken en uit te lezen." Het is daarom geschikt voor praktische toepassingen zoals kwantumsimulaties of kwantuminformatieverwerking. Rainer Blatt en zijn team hopen het aantal kwantumbits in het experiment te vergroten. "Ons doel op middellange termijn is 50 deeltjes, "zegt hij. "Dit zou ons kunnen helpen bij het oplossen van problemen die de beste supercomputers vandaag de dag nog steeds niet kunnen oplossen."

De methoden die zijn ontwikkeld voor het ionenval-experiment in Innsbruck zullen breder worden gebruikt, de natuurkundigen in Ulm en Wenen zijn overtuigd. "We willen de grenzen van onze methodes nog verder verleggen, " zeggen Friis en Marty. "Door gebruik te maken van symmetrieën en te focussen op bepaalde waarneembare zaken, we kunnen deze methoden verder optimaliseren om een ​​nog uitgebreidere verstrengeling van meerdere deeltjes te detecteren.

Het onderzoek is gepubliceerd in Fysieke beoordeling X .