Forscher nutzten fortschrittliche Kameratechnologie, um die Wellenfunktionen zweier verschränkter Photonen in Echtzeit zu visualisieren und leisteten damit Pionierarbeit bei einer Technik zur schnellen und effizienten Rekonstruktion des vollständigen Quantenzustands verschränkter Teilchen. Dieser innovative Ansatz ist um ein Vielfaches schneller als bisherige Methoden und dauert Minuten oder Sekunden statt Tage. Es wird erwartet, dass er die Entwicklung von Quantentechnologien durch die Verbesserung der Quantenzustandscharakterisierung, der Quantenkommunikation und der Quantenbildgebungstechniken vorantreibt.
Eine neue Technik, die auf fortschrittlicher Fotografie basiert, zeigt eine Möglichkeit, den vollständigen Quantenzustand verschränkter Teilchen schnell und effizient zu rekonstruieren.
Forscher der Universität Ottawa haben kürzlich in Zusammenarbeit mit Danilo Zia und Fabio Sciarrino von der Universität Sapienza in Rom eine neue Technik demonstriert, die eine Echtzeitvisualisierung der Wellenfunktionen zweier verschränkter Photonen, der Grundteilchen, aus denen Licht besteht, ermöglicht.
Mit der Analogie zu einem Paar Schuhen lässt sich das Konzept der Verstrickung mit der zufälligen Auswahl eines Schuhs vergleichen. Sobald Sie einen Schuh identifizieren, ist die Beschaffenheit des anderen Schuhs (ob es sich um einen linken oder einen rechten Schuh handelt) sofort erkennbar, unabhängig von seiner Position im Universum. Das Faszinierende ist jedoch die inhärente Unsicherheit, die mit dem Identifizierungsprozess bis zum genauen Moment der Beobachtung verbunden ist.
Die Wellenfunktion ist ein Kernprinzip der Quantenmechanik, das ein umfassendes Verständnis des Quantenzustands von Teilchen ermöglicht. Im Fall von Schuhen beispielsweise kann die „Wellenfunktion“ der Schuhe Informationen wie links und rechts, Größe, Farbe usw. übertragen. Genauer gesagt ermöglicht die Wellenfunktion Quantenwissenschaftlern, die möglichen Ergebnisse verschiedener Messungen von Quanteneinheiten wie Position, Geschwindigkeit usw. vorherzusagen.
Foto (von links nach rechts): Dr. Alessio D'Errico, Dr. Ebrahim Karimi und Nazanin Dehghan. Bildquelle: Universität Ottawa
Diese Vorhersagefähigkeit ist äußerst wertvoll, insbesondere im sich schnell entwickelnden Bereich der Quantentechnologie, wo das Verständnis der von einem Quantencomputer erzeugten oder eingegebenen Quantenzustände es uns ermöglicht, den Computer selbst zu testen. Darüber hinaus sind die im Quantencomputing verwendeten Quantenzustände äußerst komplex und umfassen viele Einheiten, die starke nicht-lokale Korrelationen (Verschränkung) aufweisen können.
Die Wellenfunktion eines solchen Quantensystems zu verstehen ist eine äußerst anspruchsvolle Aufgabe – man spricht hier auch von Quantenzustandstomographie oder Quantentomographie. Eine umfassende Tomographie mit Standardmethoden (basierend auf sogenannten Projektionsoperationen) erfordert eine große Anzahl von Messungen, wobei die Anzahl der Messungen mit der Komplexität (Dimension) des Systems schnell zunimmt.
Frühere Experimente des Forschungsteams mit dieser Methode haben gezeigt, dass die Charakterisierung oder Messung des hochdimensionalen Quantenzustands zweier verschränkter Photonen Stunden oder sogar Tage dauern kann. Darüber hinaus ist die Qualität der Ergebnisse sehr rauschempfindlich und von der Komplexität des Versuchsaufbaus abhängig.
Unter der Projektionsmessmethode der Quantentomographie versteht man die Beobachtung der Schatten hochdimensionaler Objekte, die aus unabhängigen Richtungen auf verschiedene Wände projiziert werden. Alles, was Forscher sehen können, sind diese Schatten, aus denen sie auf die Form (den Zustand) des gesamten Objekts schließen können. Beispielsweise können bei einem CT-Scan (Computertomographie) Informationen über ein dreidimensionales Objekt aus einem Satz zweidimensionaler Bilder rekonstruiert werden.
In der klassischen Optik gibt es jedoch eine andere Möglichkeit, dreidimensionale Objekte zu rekonstruieren. Diese als digitale Holographie bekannte Methode basiert auf einem einzelnen Bild, einem sogenannten Interferenzmuster, das durch Interferenz von von einem Objekt gestreutem Licht mit einem Referenzlicht entsteht.
Ein Forschungsteam unter der Leitung von Ebrahim Karimi, kanadischer Forschungslehrstuhl für strukturelle Quantenwellen, Co-Direktor des Joint Institute for Quantum Technologies (NexQT) in Ottawa und außerordentlicher Professor an der Fakultät für Naturwissenschaften, erweiterte dieses Konzept auf den Zwei-Photonen-Fall. Um den Zwei-Photonen-Zustand zu rekonstruieren, muss er mit einem mutmaßlich bekannten Quantenzustand überlagert und anschließend die räumliche Verteilung der Orte analysiert werden, an denen beide Photonen gleichzeitig ankommen. Die Abbildung zweier gleichzeitig eintreffender Photonen wird als Koinzidenzabbildung bezeichnet. Diese Photonen können von einer Referenzquelle oder einer unbekannten Quelle stammen. Die Quantenmechanik besagt, dass die Quelle eines Photons nicht bestimmt werden kann. Dadurch entsteht ein Interferenzmuster, mit dessen Hilfe sich die unbekannte Wellenfunktion rekonstruieren lässt. Möglich wurde dieses Experiment durch fortschrittliche Kameras, die Ereignisse bei jedem Pixel mit einer Auflösung von Nanosekunden (1.000.000.000 Sekunden) aufzeichnen.
Dr. Alessio D'Errico, Mitautor der Arbeit und Postdoktorand an der Universität Ottawa, hebt die enormen Vorteile dieses innovativen Ansatzes hervor: „Diese Methode ist um ein Vielfaches schneller als frühere Techniken und dauert nur Minuten oder Sekunden statt Tage. Wichtig ist, dass die Erkennungszeit nicht durch die Komplexität des Systems beeinflusst wird – dies ist eine Möglichkeit, die seit langem bestehende Skalierbarkeitsherausforderung in der Projektionstomographie zu lösen.“
Die Wirkung dieser Forschung geht über die akademische Welt hinaus. Es hat das Potenzial, Fortschritte in der Quantentechnologie zu beschleunigen, beispielsweise eine verbesserte Quantenzustandscharakterisierung, Quantenkommunikation und die Entwicklung neuer Quantenbildgebungstechniken.