Die Fragilität und die Gesetze der Quantenphysik machen die Charakterisierung von Quantensystemen in der Regel zeitaufwendig. Außerdem: wird ein Quantensystem gemessen, wird dieses dabei zerstört. Ein aktueller Durchbruch von Forscher*innen der Universität Wien demonstriert eine neuartige Methode zur Quantenzustandszertifizierung, die verschränkte Quantenzustände effizient in Echtzeit überprüft, ohne alle verfügbaren Zustände zu zerstören – ein entscheidender Fortschritt für die Entwicklung robuster Quantencomputer und Quantennetzwerke. Die Arbeit wurde in den Labors von Philip Walther an der Fakultät für Physik und am Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) durchgeführt und im Fachmagazin Science Advances veröffentlicht.
Verschränkte Quantenzustände sind die grundlegenden Bausteine vieler neuer Quantentechnologien: von ultrasicherer Kommunikation bis hin zu leistungsstarkem Quantencomputing. Bevor diese empfindlichen Zustände jedoch genutzt werden können, müssen sie rigoros überprüft werden, um ihre Qualität und Integrität sicherzustellen.
Herkömmliche Verifizierungsmethoden, wie die Quantenzustandstomographie, sind jedoch ressourcenintensiv. Grund dafür ist, dass die Überprüfung eines Quantenzustands eine große Anzahl einzelner Messungen an vielen "Kopien" des untersuchten Quantensystems erfordert. Diese werden im Anschluss für die Verifizierung kombiniert. Dabei steigt der Bedarf an Kopien exponentiell: je größer das untersuchte System, umso größer ist die Anzahl der benötigten Kopien. Standardtechniken messen jede Kopie des Zustands. Da aber jede Messung am Quantenzustand diesen zerstört, bleiben keine Zustände für die eigentliche Anwendung übrig.
Optische Schalter ermöglichen zuverlässige Stichproben
Um diese Einschränkungen zu überwinden, erarbeitete das Team der Universität Wien ein neues Protokoll, das nur eine Teilmenge der erzeugten Quantenzustände abtastet. "Der Schlüssel zur praktischen Umsetzung dieses Protokolls ist die Verwendung aktiver optischer Schalter. Diese Schalter ermöglichen es uns, einzelne Quantenzustände nach dem Zufallsprinzip entweder an einen Verifizierer (zur Zertifizierung) oder an einen Benutzer (für die eigentliche Quantenaufgabe) weiterzuleiten", erklärt Lee Rozema von der Universität Wien, einer der Hauptautor*innen der Studie.
Diese aktiven optischen Schalter wurden verwendet, um Zustände aus der Quelle genau und zufällig zu erfassen. Denn wenn sichergestellt ist, dass die Stichproben zufällig erfolgen, kann der Verifizierer mithilfe statistischer Methoden die ungemessenen Quantenzustände des Nutzers zertifizieren. Für diese Umsetzung sind hochwertige optische Schalter unerlässlich, die so schnell arbeiten können, wie die Quelle Photonen erzeugt, und den Quantenzustand nicht verändern. Bei diesem Verfahren wird also nur noch die gemessene Stichprobe zerstört. Die Qualität der ungemessenen Zustände des Benutzers werden hingegen in Echtzeit zerstörungsfrei zertifiziert und für nachfolgende Quantenoperationen freigegeben.
Das neue Protokoll hebt auch die bisherige Annahme auf, dass alle von der Quelle erzeugten Zustände identisch sein müssen, wodurch es für reale Szenarien robuster wird. Darüber hinaus ebnet das neue Protokoll den Weg in Richtung einer geräteunabhängigen Zertifizierung: Die Zertifizierung bleibt auch dann gültig, wenn die Messgeräte nicht vertrauenswürdig sind, z.B. wenn diese von einem potenziellen Angreifer kontrolliert werden.
Gerüstet für Quantennetzwerke von morgen
"Unser Versuchsaufbau implementiert dieses fortschrittliche Zertifizierungsprotokoll erfolgreich in Echtzeit, was ein entscheidender Schritt in Richtung praktischer, sicherer Quantentechnologien ist", erklärt Michael Antesberger von der Universität Wien, Co-Erstautor der Studie. Mariana Schmid von der Universität Wien, ebenfalls Co-Erstautorin ergänzt: "Diese Methode ist unglaublich effizient, bietet eine optimale Skalierbarkeit und reduziert den Ressourcenbedarf für eine robuste Zertifizierung erheblich."
"Diese Arbeit ebnet den Weg für zuverlässigere Quantenkommunikationsnetzwerke und fortschrittliche photonische Quantencomputer. Dies wird für das Benchmarking der groß angelegten Quantennetzwerke von morgen von entscheidender Bedeutung sein", fügt Philip Walther von der Universität Wien, Hauptautor der Veröffentlichung, hinzu.
Zusammenfassung:
- Verschränkte Quantenzustände sind die grundlegenden Bausteine vieler neuer Quantentechnologien, wie Quantencomputern oder ultrasicherer Kommunikation.
- Diese Quantensysteme müssen allerdings genau überprüft werden, bevor sie eingesetzt werden können – ein bisher sehr ressourcenintensiver Prozess, der alle verfügbaren Quantensysteme zerstörte.
- Wissenschafter*innen der Uni Wien haben eine neue Methode entwickelt für eine effizientere Verifizierung: Optische Schalter ermöglichen es, einzelne Quantenzustände nach dem Zufallsprinzip entweder an einen Verifizierer (zur Zertifizierung) oder an einen Benutzer (für die eigentliche Quantenaufgabe) weiterzuleiten.
Über die Universität Wien:
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Originalpublikation:
Antesberger M., Walther P., Cao H., Schmid M., Dakic B., Rozema L.: Experimental Quantum State Certification by Actively Sampling Photonic Entangled States. In Science Advances, 2026
DOI: 10.1126/sciadv.aea4144