Door willekeurig geselecteerde metingen, Oostenrijkse natuurkundigen kunnen nu de kwantumverstrengeling van veeldeeltjessystemen bepalen. Met de nieuw ontwikkelde methode kwantumsimulaties kunnen worden uitgebreid tot een groter aantal kwantumdeeltjes. In Wetenschap , natuurkundigen uit Innsbruck, Oostenrijk, rapporteren over de eerste succesvolle demonstratie van deze methode.

Kwantumfenomenen zijn experimenteel moeilijk om mee om te gaan. De inspanning neemt dramatisch toe met de grootte van het systeem. Wetenschappers kunnen kleine kwantumsystemen besturen en kwantumeigenschappen onderzoeken. Dergelijke kwantumsimulaties worden beschouwd als veelbelovende vroege toepassingen van kwantumtechnologieën die problemen kunnen oplossen waar simulaties op conventionele computers falen. Echter, de kwantumsystemen die als kwantumsimulators worden gebruikt, moeten verder worden ontwikkeld. De verstrengeling van veel deeltjes is nog steeds een moeilijk te begrijpen fenomeen. "Om een ​​kwantumsimulator die uit 10 of meer deeltjes bestaat in het laboratorium te laten werken, we moeten de toestanden van het systeem zo nauwkeurig mogelijk karakteriseren, ", legt Christian Roos uit van het Institute of Quantum Optics and Quantum Information van de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen.

Tot dusver, kwantumtoestandtomografie is gebruikt voor de karakterisering van kwantumtoestanden waarmee het systeem volledig kan worden beschreven. Deze methode, echter, brengt een zeer hoge meet- en rekeninspanning met zich mee en is niet geschikt voor systemen met meer dan een half dozijn deeltjes. Twee jaar geleden, de onderzoekers onder leiding van Christian Roos, samen met collega's uit Duitsland en Groot-Brittannië, presenteerde een efficiënte methode voor de karakterisering van complexe kwantumtoestanden. Echter, alleen zwak verstrengelde toestanden konden met deze methode worden beschreven. Dit probleem is nu omzeild door een nieuwe methode die vorig jaar werd gepresenteerd door de theoretici onder leiding van Peter Zoller, die kan worden gebruikt om elke verstrengelde toestand te karakteriseren. Samen met experimenteel natuurkundigen Rainer Blatt en Christian Roos en hun team, deze methode hebben ze nu in het laboratorium gedemonstreerd.

Kwantumsimulaties op grotere systemen

"De nieuwe methode is gebaseerd op het herhaaldelijk meten van willekeurig geselecteerde transformaties van individuele deeltjes. De statistische evaluatie van de meetresultaten geeft vervolgens informatie over de mate van verstrengeling van het systeem, " legt Andreas Elben van het team van Peter Zoller uit. De Oostenrijkse natuurkundigen demonstreerden het proces in een kwantumsimulator die bestaat uit verschillende ionen die op een rij in een vacuümkamer zijn gerangschikt. Uitgaande van een eenvoudige toestand, de onderzoekers laten de afzonderlijke deeltjes met behulp van laserpulsen op elkaar inwerken en zorgen zo voor verstrengeling in het systeem.

"We voeren 500 lokale transformaties uit op elk ion en herhalen de metingen in totaal 150 keer om vervolgens statistische methoden te kunnen gebruiken om informatie over de verstrengelingstoestand uit de meetresultaten te bepalen, " legt promovendus Tiff Brydges van het Institute of Quantum Optics and Quantum Information uit.

In het werk dat nu is gepubliceerd in Wetenschap , de natuurkundigen van Innsbruck karakteriseerden de dynamische ontwikkeling van een systeem bestaande uit 10 ionen en een subsysteem bestaande uit tien ionen van een 20-ionenketen. "In het laboratorium, deze nieuwe methode helpt ons enorm, omdat het ons in staat stelt onze kwantumsimulator nog beter te begrijpen, en, bijvoorbeeld, om de zuiverheid van de verstrengeling nauwkeuriger te beoordelen, " zegt Christiaan Roos, die ervan uitgaat dat de nieuwe methode met succes kan worden toegepast op kwantumsystemen met tot enkele tientallen deeltjes.