Verschränkte Quantenschaltkreise

Es ist eine weitere Best?tigung der Quantenmechanik: Eine Forschergruppe um Andreas Wallraff, ETH-Professor f¨¹r Festk?rperphysik, konnte mit einem sogenannten schlupflochfreien Bell-Test das Konzept der ?lokalen Kausalit?t? widerlegen, das von Albert Einstein als Antwort auf die Quantenmechanik formuliert wurde. Sie konnten damit nachweisen, dass weit entfernte, quantenmechanische Objekte viel st?rker miteinander korreliert sein k?nnen, als dies bei klassischen Systemen m?glich ist. Das Besondere daran: Den Z¨¹rcher Forschenden gelang dieses Experiment zum ersten Mal mit supraleitenden Schaltkreisen. Diese gelten als heisse Kandidaten f¨¹r den Bau von leistungsf?higen Quantencomputern.

Ein alter Streit

Ein Bell-Test basiert auf einer Versuchsanordnung, die vom britischen Physiker John Bell in den 1960er-Jahren zun?chst als Gedankenexperiment erdacht wurde. Bell wollte damit eine Frage kl?ren, ¨¹ber die bereits in den 1930er-Jahren die damaligen Gr?ssen der Physik gestritten haben: Stimmen die Voraussagen der Quantenmechanik, die der Alltagsintuition v?llig zuwider laufen, oder gelten im atomaren Mikrokosmos ebenfalls die klassischen Vorstellungen von Kausalit?t, wovon Albert Einstein ¨¹berzeugt war?

Um diese Frage zu beantworten, schlug Bell vor, an zwei verschr?nkten Teilchen gleichzeitig eine zuf?llige Messung durchzuf¨¹hren und diese anhand der Bell¡¯schen Ungleichung zu ¨¹berpr¨¹fen. Stimmt Einsteins Konzept der lokalen Kausalit?t, dann wird die Bell¡¯sche Ungleichung bei diesen Experimenten immer erf¨¹llt. Im Gegensatz dazu sagt die Quantenmechanik voraus, dass die Ungleichung verletzt wird.

Die letzten Zweifel ausger?umt

Anfang der 1970er-Jahre f¨¹hrten John Francis Clauser, der letztes Jahr mit dem Nobelpreis f¨¹r Physik ausgezeichnet wurde, und Stuart Freedman erstmals konkret einen Bell-Test durch. In ihren Experimenten konnten die beiden nachweisen, dass die Bell¡¯sche Ungleichung tats?chlich verletzt wird. Allerdings mussten Clauser und Freedman bei ihren Experimenten gewisse Annahmen machen, damit sie die Versuche ¨¹berhaupt durchf¨¹hren konnten. Es h?tte theoretisch also immer noch sein k?nnen, dass Einstein mit seiner Skepsis gegen¨¹ber der Quantenmechanik richtig lag.

Im Laufe der Zeit konnten dann immer mehr dieser sogenannten Schlupfl?cher geschlossen werden, bis es schliesslich 2015 verschiedenen Gruppen gelang, die ersten wirklich schlupflochfeien Bell-Tests durchzuf¨¹hren und damit die alte Streitfrage endg¨¹ltig zu kl?ren.

Vielversprechende Anwendungen

Wallraffs Gruppe kann diese Ergebnisse nun mit einem neuartigen Experiment best?tigen. Die von den ETH-Forschenden in der renommierten Fachzeitschrift ?Nature? ver?ffentlichte Arbeit zeigt, dass das Thema trotz der erstmaligen Best?tigung vor sieben Jahren noch nicht abgeschlossen ist. Das hat mehrere Gr¨¹nde: Zum einen best?tigt das Experiment der ETH-Forschenden, dass supraleitende Schaltkreise ebenfalls nach den Gesetzen der Quantenmechanik funktionieren, obwohl sie im Vergleich zu mikroskopischen Quantenobjekten wie Photonen oder Ionen eine beachtliche Gr?sse haben. Die mehrere hundert Mikrometer grossen elektronischen Schaltkreise, die aus supraleitenden Materialien bestehen und bei Mikrowellenfrequenzen betrieben werden, werden auch als makroskopische Quantenobjekte bezeichnet.

Zum anderen haben Bell-Tests auch eine praktische Bedeutung. ?Mit abge?nderten Bell-Tests kann man beispielsweise in der Kryptographie demonstrieren, dass Informationen tats?chlich verschl¨¹sselt ¨¹bermittelt werden?, erkl?rt Simon Storz, Doktorand in Wallraffs Gruppe. ?Mit unserem Ansatz k?nnen wir viel effizienter nachweisen, dass die Bell¡¯sche Ungleichung verletzt wird, als dies bei anderen Versuchsanordnungen m?glich ist. Das macht unseren Ansatz f¨¹r praktische Anwendungen besonders interessant.?

Die Suche nach dem Kompromiss

Allerdings ben?tigen die Forschenden dazu eine aufwendige Versuchsanlage. Damit der Bell-Test tats?chlich schlupflochfrei ist, m¨¹ssen die Forschenden n?mlich sicherstellen, dass vor dem Abschluss der Quantenmessungen keinerlei Informationen zwischen den beiden verschr?nkten Schaltkreisen ausgetauscht werden k?nnen. Da Informationen h?chstens mit Lichtgeschwindigkeit ¨¹bermittelt werden k?nnen, muss die Messung deshalb weniger Zeit ben?tigen als ein Lichtteilchen braucht, um von einem Schaltkreis zum anderen zu gelangen.

Beim Aufbau des Experimentes gilt es also, einen Kompromiss zu finden: Je gr?sser die Distanz zwischen den beiden supraleitenden Schaltkreisen, desto mehr Zeit steht f¨¹r die Messung zur Verf¨¹gung ¨C und desto aufw?ndiger wird die Versuchsanordnung. Denn das ganze Experiment muss im Vakuum nahe dem absoluten Nullpunkt durchgef¨¹hrt werden.

Die k¨¹rzeste Distanz zur erfolgreichen Durchf¨¹hrung ihres schlupflochfeien Bell-Tests, so haben die ETH-Forschenden ermittelt, betr?gt etwa 33 Meter: Ein Lichtteilchen ben?tigt im Vakuum rund 110 Nanosekunden, um diese Distanz zu ¨¹berwinden. Das ist ein paar Nanosekunden mehr, als die Forschenden f¨¹r die Durchf¨¹hrung des Experiments ben?tigt haben.

30 Meter Vakuum

Wallraffs Team hat in einem der unterirdischen G?nge des ETH-±Ø²©¹ÙÍø,±Ø²©ÌåÓý eine eindr¨¹ckliche Anlage aufgebaut. An beiden Enden steht jeweils ein Kryostat, in dem sich ein supraleitender Schaltkreis befindet. Die beiden K¨¹hlapparaturen sind ¨¹ber eine 30 Meter lange R?hre miteinander verbunden, deren Innerstes auf eine Temperatur knapp ¨¹ber dem absoluten Nullpunkt (?273,15 Grad Celsius) abgek¨¹hlt wurde.

Vor Beginn jeder Messung wird von einem der beiden supraleitenden Schaltkreise aus ein Mikrowellen-Photon zum anderen ¨¹bermittelt, so dass die beiden Schaltkreise fortan verschr?nkt sind. Zufallsgeneratoren entscheiden dann, welche Messungen an den beiden Schaltkreisen im Rahmen des Bell-Tests durchgef¨¹hrt werden. In einem n?chsten Schritt werden die Messergebnisse auf beiden Seiten miteinander verglichen.

Grossr?umige Verschr?nkung

Die Auswertung von mehr als einer Million Messungen zeigt, dass die Bell¡¯sche Ungleichung bei dieser Versuchsanordnung mit einer sehr hohen statistischen Sicherheit verletzt wird. Damit konnten die Forscher also best?tigen, dass die Quantenmechanik auch bei makroskopischen elektrischen Schaltungen sogenannte nicht-lokale Korrelationen zul?sst. Supraleitende Schaltkreise lassen sich demnach auch ¨¹ber eine grosse Distanz miteinander verschr?nken. Das er?ffnet interessante Anwendungsm?glichkeiten im Bereich verteiltes Quantencomputing und Quantenkryptographie.

Der Bau und Test der Anlage, so r?umt Wallraff ein, war eine Herausforderung. ?Wir konnten das Projekt ¨¹ber sechs Jahre mit den Mitteln eines ERC-Advanced Grants finanzieren?, erkl?rt er. Allein der Aufwand, die gesamte Versuchsanordnung auf eine Temperatur nahe beim absoluten Nullpunkt zu k¨¹hlen, ist betr?chtlich. ?In unserer Maschine sind 1,3 Tonnen Kupfer und 14'000 Schrauben verbaut?, erkl?rt Wallraff. ?Da steckt nicht nur viel physikalisches Wissen drin, sondern auch viel Knowhow der Ingenieure.? Im Prinzip k?nnte man auf gleiche Weise auch Anlagen bauen, die noch gr?ssere Distanzen ¨¹berwinden, ist Wallraff ¨¹berzeugt. Das w?re zum Beispiel interessant, um weit voneinander entfernte supraleitende Quantencomputer miteinander zu verbinden.