Qubits verwenden 30 Meter, um zu bestätigen, dass Einstein in Bezug auf Quanten falsch lag – Ars Technica

Ein neues Experiment nutzt supraleitende Qubits, um zu beweisen, dass die Quantenmechanik einen sogenannten lokalen Realismus verletzt, indem sie zulässt, dass sich zwei Objekte wie ein Quantensystem verhalten, unabhängig davon, wie groß ihr Abstand ist. Das Experiment ist nicht das erste, das zeigt, dass das Universum nicht nach lokalem Realismus funktioniert – es ist nicht das erste, das dies mit Qubits tut.

Aber sie sind die ersten, die die Qubits so weit voneinander entfernt haben, dass das Licht bei Messungen nicht schnell genug ist, um sich zwischen ihnen zu bewegen. Dazu kühlte es einen 30 Meter langen Aluminiumdraht auf einige Millikelvin ab. Da Qubits so einfach zu kontrollieren sind, bietet das Experiment eine neue Präzision für diese Art von Messungen. Und die Vorbereitung der Hardware könnte für zukünftige Quantencomputing-Bemühungen von entscheidender Bedeutung sein.

Den Realismus wahr werden lassen

Albert Einstein war bekanntermaßen mit einigen Konsequenzen der Quantenverschränkung unzufrieden. Wenn die Quantenmechanik korrekt ist, verhält sich ein Paar verschränkter Objekte unabhängig vom Abstand zwischen ihnen wie ein einziges Quantensystem. Eine Änderung des Zustands eines Objekts muss augenblicklich auch den Zustand des zweiten Objekts ändern, da die Änderung scheinbar schneller erfolgt als die Möglichkeit, dass sich Licht zwischen den beiden Objekten bewegt. Das sei mit ziemlicher Sicherheit falsch, argumentierte Einstein.

Im Laufe der Jahre haben Menschen verschiedene Versionen sogenannter versteckter Variablen vorgeschlagen – physikalische Eigenschaften, die zwischen Objekten geteilt werden und ein verschränkungsähnliches Verhalten ermöglichen, während die Informationen, die dieses Verhalten bestimmen, lokalisiert bleiben. Verborgene Variablen bewahren einen sogenannten „lokalen Realismus“, aber es stellt sich heraus, dass sie unsere Realität nicht wirklich beschreiben.

Der Physiker John Bell zeigte, dass alle Rahmenwerke für lokale Variablen den Grad begrenzen, in dem das Verhalten von Quantenobjekten in Beziehung gesetzt werden kann. Die Quantenmechanik geht jedoch davon aus, dass die Korrelationen noch höher sind. Indem wir das Verhalten von Paaren verschränkter Teilchen messen, können wir feststellen, ob sie gegen die Bell-Gleichungen verstoßen, und so eindeutig beweisen, dass versteckte Variablen ihr Verhalten nicht erklären.

Die ersten Schritte zu dieser Demonstration waren für versteckte Variablen schlecht, ließen aber Schlupflöcher zu – obwohl die Bellsche Ungleichung verletzt wurde, könnte es immer noch sein, dass Informationen zwischen Quantenobjekten mit Lichtgeschwindigkeit übertragen werden. Doch im Laufe der letzten Jahrzehnte wurden die Lücken nach und nach geschlossen und die Nobelpreise wurden verliehen.

Warum also wieder zu Experimenten zurückkehren? Zum Teil, weil uns Qubits ein hohes Maß an Kontrolle über das System geben und es uns ermöglichen, schnell eine große Anzahl von Experimenten durchzuführen und das Verhalten dieser Verschränkung zu untersuchen. Und zum Teil, weil es eine interessante technische Herausforderung darstellt. Supraleitende Qubits werden durch Mikrowellenstrahlung gesteuert und ihre Verschränkung erfordert die Bewegung einiger Mikrowellenphotonen sehr niedriger Energie zwischen den beiden. Und dies zu tun, ohne dass Umgebungslärm alles stört, ist eine große Herausforderung.

Gruselige Action aus 30 Metern Entfernung

Um die Bellsche Ungleichung zu verletzen, reicht es relativ einfach, verschränkte Teilchen wiederholt zu messen und zu zeigen, dass ihre Zustände korrelieren. Wenn diese Korrelation einen kritischen Wert überschreitet, wissen wir, dass versteckte Variablen dieses Verhalten nicht erklären können. Und supraleitende Qubits, Translats genannt, werden so hergestellt, dass die Messung trivial, genau und schnell ist. Dieser Teil ist also einfach.

Bei der Beseitigung einer der größten Lücken in diesen Messungen wird es schwierig. Sie müssen zeigen, dass Korrelationen bei Messungen nicht durch Informationen vermittelt werden können, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Da Messungen so wenig Zeit in Anspruch nehmen, bedeutet dies, dass Sie die beiden Qubits ausreichend weit voneinander trennen müssen, damit die Messung abgeschlossen werden kann, bevor das Licht zwischen ihnen wandert. Basierend auf der Dauer der Messungen errechnete das Forschungsteam der ETH Zürich, dass 30 Meter ausreichen würden.

Während sich dies nur einen Flur weiter in einem anderen Laborgebäude befindet, sind 30 Meter aufgrund des Verschränkungsprozesses, bei dem niederenergetische Mikrowellenphotonen zum Einsatz kommen, die leicht in einem Meer aus Umgebungslärm verloren gehen können, eine ziemliche Herausforderung. In der Praxis bedeutet dies, dass alles, was mit diesen Photonen verbunden ist, die gleichen Millikelvin-Temperaturen aufweisen muss wie die Qubits selbst. Daher muss der 30 Meter lange Aluminiumdraht, der als Wellenleiter für Mikrowellen dient, auf einen Bruchteil eines Grads über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt werden.

In der Praxis bedeutete dies, dass die gesamte Baugruppe, die den Drahtzugang kühl hält, Kühlsystemen mit flüssigem Helium mit Qubits an jedem Ende überlassen wurde – und ein separates Kühlsystem in der Mitte des 30 Meter langen Rohrs gebaut wurde. Das System benötigte außerdem flexible interne Verbindungen und externe Stützen, da sich das Ganze beim Abkühlen exponentiell zusammenzieht.

Es hat jedoch alles wunderbar geklappt. Aufgrund der Leistungsfähigkeit von Qubits können Forscher in nur 20 Minuten mehr als eine Million Einzelexperimente durchführen. Die resultierenden Korrelationen lagen letztendlich um erstaunliche 22 Standardabweichungen über dem durch die Bell-Gleichungen festgelegten Grenzwert. Mit anderen Worten: Der p-Wert des Ergebnisses lag unter 10^-108.

Was kommt noch?

Die beiden Hauptfaktoren, die die Systemleistung einschränken, sind Fehler in den Qubits und der Verlust von Photonen, die bei ihrer Verschränkung verwendet werden. Die Forscher glauben, dass sie beides verbessern können und Qubits möglicherweise zum strengsten Test für Bell-Ungleichungen machen. Aufgrund der Art und Weise, wie sich die Qubits verschränken, könnte die Arbeit jedoch noch wichtiger werden.

Jeder, der mit supraleitenden Qubits arbeitet, sagt, dass wir irgendwann Tausende davon in einem einzigen Quantencomputer kombinieren müssen. Leider benötigt jedes dieser Qubits viel Platz auf dem Chip, was bedeutet, dass es schwierig ist, Chips mit mehr als ein paar Hundert davon herzustellen. Daher planen große Player wie Google und IBM irgendwann, mehrere Chips mit einem einzigen Computer zu verbinden (etwas, was das Startup Rigetti bereits tut).

Für Zehntausende von Bits würden wir jedoch definitiv so viele Chips benötigen, dass es schwierig wäre, sie alle in einem kühleren Bit unterzubringen. Das bedeutet, dass wir die Chips irgendwann in verschiedene Kühlsysteme einfädeln wollen – genau das, was hier gezeigt wird. Dies ist also ein wichtiger Beweis dafür, dass wir Qubits tatsächlich über diese Art von Systemen hinweg miteinander verbinden können.

Natur, 2023. DOI: 10.1038 / s41586-023-05885-0 (über DOIs).