Einleitung
Diesen Monat, Drei Wissenschaftler erhielten den Nobelpreis für Physik für ihre Arbeit, die eine der kontraintuitivsten und doch folgenreichsten Realitäten der Quantenwelt beweist. Sie zeigten, dass zwei verschränkte Quantenteilchen als ein einziges System betrachtet werden müssen – ihre Zustände sind unaufhaltsam miteinander verflochten – selbst wenn die Teilchen durch große Entfernungen getrennt sind. In der Praxis bedeutet dieses Phänomen der „Nichtlokalität“, dass das System, das Sie vor sich haben, sofort von etwas beeinflusst werden kann, das Tausende von Kilometern entfernt ist.
Verschränkung und Nichtlokalität ermöglichen es Informatikern, unknackbare Codes zu erstellen. Bei einer Technik, die als geräteunabhängige Quantenschlüsselverteilung bekannt ist, wird ein Teilchenpaar verschränkt und dann an zwei Personen verteilt. Die gemeinsamen Eigenschaften der Partikel können nun als Code dienen, der die Kommunikation sogar vor Quantencomputern schützt – Maschinen, die in der Lage sind, klassische Verschlüsselungstechniken zu durchbrechen.
Aber warum bei zwei Teilchen aufhören? Theoretisch gibt es keine Obergrenze dafür, wie viele Teilchen einen verschränkten Zustand teilen können. Jahrzehntelang haben sich theoretische Physiker Dreiwege-, Vierwege- und sogar 100-Wege-Quantenverbindungen vorgestellt – die Art von Dingen, die ein vollständig verteiltes quantengeschütztes Internet ermöglichen würden. Jetzt hat ein Labor in China eine scheinbar nichtlokale Verschränkung zwischen drei Teilchen gleichzeitig erreicht, was möglicherweise die Stärke der Quantenkryptographie und die Möglichkeiten für Quantennetzwerke im Allgemeinen steigert.
„Zwei-Parteien-Nichtlokalität ist so schon verrückt genug“, sagte er Peter Bierhorst, ein Quanteninformationstheoretiker an der Universität von New Orleans. „Aber es stellt sich heraus, dass die Quantenmechanik Dinge tun kann, die sogar darüber hinausgehen, wenn Sie drei Parteien haben.“
Physiker haben zuvor mehr als zwei Teilchen verschränkt. Der Rekord liegt irgendwo dazwischen 14 Teilchen und 15 Billion US$, je nachdem wen man fragt. Aber diese waren nur über kurze Entfernungen, höchstens nur wenige Zentimeter voneinander entfernt. Um die Mehrparteien-Verschränkung für die Kryptographie nützlich zu machen, müssen Wissenschaftler über die einfache Verschränkung hinausgehen und Nichtlokalität demonstrieren – „eine hohe Messlatte, die es zu erreichen gilt“, sagte er Eli Wolfe, Quantentheoretiker am Perimeter Institute for Theoretical Physics in Waterloo, Kanada.
Der Schlüssel zum Nachweis der Nichtlokalität besteht darin, zu testen, ob die Eigenschaften eines Teilchens mit den Eigenschaften des anderen übereinstimmen – dem Kennzeichen der Verschränkung – sobald sie weit genug voneinander entfernt sind, dass nichts anderes die Effekte verursachen könnte. Beispielsweise könnte ein Teilchen, das seinem verschränkten Zwilling noch physisch nahe ist, Strahlung aussenden, die das andere beeinflusst. Aber wenn sie eine Meile voneinander entfernt sind und praktisch augenblicklich gemessen werden, dann sind sie wahrscheinlich nur durch Verschränkung verbunden. Die Experimentatoren verwenden einen Satz von Gleichungen namens Bell-Ungleichungen um alle anderen Erklärungen für die verknüpften Eigenschaften der Partikel auszuschließen.
Bei drei Teilchen ist der Prozess zum Beweis der Nichtlokalität ähnlich, aber es gibt mehr Möglichkeiten zum Ausschließen. Dies erhöht die Komplexität sowohl der Messungen als auch der mathematischen Reifen, durch die die Wissenschaftler springen müssen, um die nichtlokale Beziehung der drei Teilchen zu beweisen. „Man muss einen kreativen Ansatz finden“, sagte Bierhorst – und über die Technologie verfügen, um genau die richtigen Bedingungen im Labor zu schaffen.
In den im August veröffentlichten Ergebnissen machte ein Team in Hefei, China, einen entscheidenden Sprung nach vorne. Erstens, indem sie Laser durch eine spezielle Art von Kristall schießen verwickelt drei Photonen und platzierte sie Hunderte von Metern voneinander entfernt in verschiedenen Bereichen der Forschungseinrichtung. Dann maßen sie gleichzeitig eine zufällige Eigenschaft jedes Photons. Die Forscher analysierten die Messungen und stellten fest, dass die Beziehung zwischen den drei Teilchen am besten durch die Drei-Wege-Quanten-Nichtlokalität erklärt werden kann. Es war die bisher umfassendste Demonstration der Drei-Wege-Nichtlokalität.
Technisch gesehen bleibt eine kleine Chance, dass etwas anderes die Ergebnisse verursacht hat. „Wir haben noch einige offene Schlupflöcher“, sagte er Xuemei Gu, einer der Hauptautoren der Studie. Aber durch die Trennung der Partikel konnten sie die eklatanteste alternative Erklärung für ihre Daten ausschließen: physische Nähe.
Die Autoren basierten ihr Experiment auch auf einem neuen, strengere Definition der Drei-Wege-Nichtlokalität, die in den letzten Jahren an Zugkraft gewonnen hat. Während frühere Experimente eine Zusammenarbeit zwischen den Geräten ermöglichten, die die Photonen maßen, konnten Gus drei Geräte nicht kommunizieren. Stattdessen führten sie zufällige Messungen der Partikel durch – eine Einschränkung, die in kryptografischen Szenarien nützlich wäre, in denen jede Kommunikation kompromittiert werden kann, sagte er Renato Renner, Quantenphysiker an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich. (Unter Verwendung des älteren Paradigmas, ein kanadisches Team weisen nach, dass Dreiwege-Nichtlokalität in der Ferne im Jahr 2014.)
Jetzt, da Forscher, die der neuen Definition folgen, Teilchen so weit voneinander entfernt erfolgreich verschränkt haben, können sie sich darauf konzentrieren, den Abstand noch weiter zu vergrößern.
„Es ist ein wichtiges Sprungbrett für Experimente über größere Entfernungen und größere Entfernungen“, sagte er Saikat Guha, ein Quanteninformationstheoretiker an der University of Arizona.
Am direktesten kann diese Technologie eine umfassendere Verteilung von Quantenschlüsseln ermöglichen, sagte Renner. Wenn Sie verschränkte Teilchen als Schlüssel zur Verschlüsselung verwenden, können dieselben Bell-Ungleichungen, die Physiker verwenden, um auf Nichtlokalität zu testen, sicherstellen, dass Ihr Geheimnis vollständig sicher ist. Selbst wenn das Gerät, mit dem Sie eine Nachricht senden oder empfangen, von Ihrem schlimmsten Feind böswillig manipuliert wird, kann er Ihren Quantenschlüssel nicht ermitteln. Diese Geheimnisse bleiben zwischen Ihnen und demjenigen, der das andere verstrickte Teilchen hat.
Einleitung
Die Verteilung von Quantenschlüsseln ist „das, worüber die Leute begeistert sind“, sagte Renner. Vergangenes Jahr, drei getrennte Gruppen demonstrierten das Protokoll im Labor, wenn auch noch in kleinem Maßstab. Deshalb wird die Drei-Wege-Nichtlokalität so wichtig sein. „Sie haben im Prinzip viel mehr kryptografische Macht“, denn diese Drei-Wege-Verbindungen können nicht simuliert werden, indem ein paar Zwei-Wege-Verbindungen zusammengeschustert werden.
„Das ist eine grundlegend neue Ebene von Phänomenen“, sagte Bierhorst, eine, die die geräteunabhängige Kryptografie von der einfachen Zwei-Wege-Kommunikation auf ein ganzes Netzwerk von geheimen Teilen erweitern könnte.
Neben der Kryptographie eröffnet die Mehrparteienverschränkung auch Möglichkeiten für andere Arten von Quantennetzwerken. Forscher wie Guha arbeiten an einer Quanten-Internet, das Quantencomputer so verbinden könnte, wie das normale Internet gewöhnliche Geräte verbindet. Dieses System würde die Rechenleistung vieler Quantengeräte vereinen, indem es Millionen von Teilchen mit unterschiedlichen Verschränkungsgraden über unterschiedliche Entfernungen hinweg verbindet. Wir haben alle einzelnen Bausteine für ein solches System, sagte Guha, aber der Zusammenbau „ist eine riesige, riesige technische Herausforderung“. Mit diesem Ziel vor Augen haben Wissenschaftler in den Niederlanden gelungen bei der Verschränkung von drei Partikeln in einem Netzwerk, das sich über zwei separate Labors erstreckt – obwohl sie sich im Gegensatz zu Gus Team nicht darauf konzentrierten, Nichtlokalität zu demonstrieren.
Diese Arbeit an der Dreifachverschränkung begann als „nur ein interessantes Phänomen“, sagte Bierhorst. Aber „wenn Sie etwas haben, was die Quantenmechanik tun kann, was sonst unmöglich ist, wird das alle möglichen neuen technologischen Möglichkeiten eröffnen, die auf unvorhergesehene Weise ausgenutzt werden können.“
Bisher haben einige Labore eine Vier-Wege-Nichtlokalität zwischen sehr nahe beieinander liegenden Teilchen demonstriert. „Diese Experimente sind zum jetzigen Zeitpunkt ziemlich spekulativ. Man muss viele Annahmen treffen“, sagte Bierhorst.
Auch die Drei-Wege-Experimente beruhen noch auf einigen Annahmen. Die Nobelpreisträger verbrachten ein halbes Jahrhundert damit, diese Schlupflöcher in ihren Zwei-Wege-Experimenten auszuschließen, was schließlich 2017 gelang. Aber seitdem haben wir technologisch einen langen Weg zurückgelegt, sagte Renner.
„Was zuvor Jahrzehnte gedauert hat, wird jetzt in etwa einem Jahr geschehen“, sagte er.
