Quantenphysiker feierten im Oktober, als das Nobelkomitee einen vergab lang erwartet Physikpreis an Alain Aspect, John Clauser und Anton Zeilinger für ihre Pionierarbeit Forschung zur Quantenverschränkung. Aber die Community hat sich sicherlich nicht auf ihren Lorbeeren ausgeruht, und bei so vielen anderen aufregenden Entwicklungen im Jahr 2022 ist es schwierig, nur ein paar Highlights herauszupicken. Dennoch sind hier einige Ergebnisse, die uns in den Bereichen Quantensensorik, Quanteninformation, Quantencomputing, Quantenkryptographie und grundlegende Quantenwissenschaft aufgefallen sind.
In der Quantenmechanik besagt das Prinzip der Delokalisierung, dass ein Quantenteilchen gewissermaßen an mehreren Orten gleichzeitig sein kann. Das Prinzip der Verschränkung hingegen besagt, dass Quantenteilchen eine Verbindung erfahren, die es ermöglicht, dass der Zustand eines Teilchens den eines anderen bestimmt, selbst über große Entfernungen hinweg. Im November verwendeten Physiker am JILA in Colorado, USA, eine Kombination aus Verschränkung und Delokalisierung, um Rauschen zu unterdrücken, das es zuvor unmöglich gemacht hatte, Beschleunigungen unterhalb der sogenannten Quantengrenze zu erfassen. Diese Grenze wird durch das Quantenrauschen einzelner Teilchen gesetzt und war lange Zeit eine erhebliche Einschränkung für die Präzision von Quantensensoren. Ihre Überwindung ist daher ein großer Schritt nach vorn.
Das Senden von Quanteninformationen von einem Knoten in einem Netzwerk zu einem anderen ist nicht einfach. Wenn Sie die Informationen in Photonen codieren, die über eine optische Faser gesendet werden, beeinträchtigen Verluste in der Faser die Signaltreue, bis es unlesbar wird. Wenn Sie stattdessen die Quantenverschränkung verwenden, um die Informationen direkt zu teleportieren, führen Sie andere Prozesse ein, die leider auch das Signal verschlechtern. Hinzufügen eines dritten Knotens zum Netzwerk als Physiker bei QuTech in den Niederlanden 2021 gemacht, macht die Aufgabe nur noch schwieriger. Deshalb ist es so beeindruckend, dass die QuTech-Forscher an ihren früheren Erfolg anknüpften, indem sie Quanteninformationen von einem Sender (Alice) zu einem Empfänger (Charlie) über einen Zwischenknoten (Bob) teleportierten. Obwohl die Wiedergabetreue der Alice-Bob-Charlie-Übertragung nur 71 % betrug, war dies höher als die klassische Grenze von 2/3, und um dies zu erreichen, mussten die Forscher mehrere herausfordernde Experimente kombinieren und optimieren. Werden die Nodes Dave, Edna und Fred dem Netzwerk im Jahr 2023 beitreten? Wir werden sehen!
Falls es aus den ersten beiden Highlights in dieser Liste nicht klar hervorgeht, ist Rauschen ein großes Problem in der Quantenwissenschaft. Dies gilt für Computer ebenso wie für Sensorik und Kommunikation, weshalb die Korrektur dieser durch Rauschen verursachten Fehler so wichtig ist. Physiker gemacht mehrere Fortschritte an dieser Front im Jahr 2022, aber einer der bedeutendsten kam im Mai, als Forscher der Universität Innsbruck, Österreich, und der RWTH Aachen, Deutschland, erstmals einen vollständigen Satz fehlertoleranter Quantenoperationen demonstrierten. Ihr Ionenfallen-Quantencomputer verwendet sieben physische Qubits, um jedes logische Qubit zu erstellen, plus „Flag“-Qubits, um das Vorhandensein gefährlicher Fehler im System zu signalisieren. Entscheidend ist, dass die fehlerkorrigierte Version des Systems besser abschnitt als die einfachere unkorrigierte, was die Möglichkeiten der Technik veranschaulicht.
Informationssicherheit ist das Alleinstellungsmerkmal der Quantenkryptographie, aber Informationen sind immer nur so sicher wie das schwächste Glied in der Kette. Bei der Quantenschlüsselverteilung (QKD) sind die Geräte, die zum Senden und Empfangen der Schlüssel verwendet werden, eine potenzielle Schwachstelle, die anfällig für herkömmliche Hacks sind (wie jemand, der in einen Knoten einbricht und das System manipuliert), obwohl die Schlüssel selbst dagegen sicher sind Quanten. Eine Alternative ist die Verwendung von geräteunabhängiger QKD (DIQKD), die Messungen von Bell-Ungleichungen in Photonenpaaren verwendet, um zu bestätigen, dass der Schlüsselerzeugungsprozess nicht verfälscht wurde. Im Juli demonstrierten zwei unabhängige Forschergruppen DIQKD erstmals experimentell – in einem Fall, indem sie 1.5 Millionen verschränkte Bell-Paare über einen Zeitraum von acht Stunden generierten und daraus einen gemeinsamen Schlüssel mit einer Länge von 95 Bit generierten. Obwohl die Schlüsselgenerierungsrate höher sein muss, um DIQKD für reale verschlüsselte Netzwerke praktikabel zu machen, ist der Beweis des Prinzips verblüffend.
Die anderen verschränkten Teilchen in dieser Highlight-Liste sind alle identisch: Photonen, die mit anderen Photonen verschränkt sind, Ionen mit anderen Ionen, Atome mit anderen Atomen. Aber es gibt nichts in der Quantentheorie, das diese Art von Symmetrie verlangt, und eine entstehende neue Klasse von „hybriden“ Quantentechnologien verlässt sich tatsächlich darauf, Dinge zu vermischen. Geben Sie die Forscher unter der Leitung von ein Armin Feist vom Max-Planck-Institut für multidisziplinäre Wissenschaften in Deutschland, die im August zeigten, dass sie ein Elektron und ein Photon verschränken können, indem sie einen ringförmigen optischen Mikroresonator und einen Strahl hochenergetischer Elektronen verwenden, der den Ring tangential passiert. Die Technik hat Anwendungen für einen Quantenprozess namens „Ankündigung“, bei dem die Erkennung eines Teilchens in einem verschränkten Paar anzeigt, dass das andere Teilchen für die Verwendung in einem Quantenschaltkreis verfügbar ist – ein großartiges Beispiel dafür, wie die grundlegenden Fortschritte von heute die Innovationen von morgen vorantreiben.
Eine Wundertüte voller Quantenverrücktheit
Schließlich, wie es traditionell ist (wir haben es getan zweimal, daher ist es eine Tradition), keine Liste von Quanten-Highlights ist vollständig ohne eine Anspielung auf all das, was auf diesem Gebiet seltsam und verblüffend ist. Also lasst es uns für die US-Forscher hören, die einen Quantenprozessor dazu benutzten simulieren die Teleportation von Informationen durch ein Wurmloch in der Raumzeit; eine Gruppe in Italien und Frankreich, die harte Zahlen aufstellte Ununterscheidbarkeit von ununterscheidbaren Photonen; ein internationales Team, das Quantenverletzungen der klassischen Kausalität nutzte die Natur von Ursache und Wirkung besser verstehen; und zwei unerschrockene Physiker an der Universität von Edinburgh, Großbritannien, die zeigten, dass Quantensignale ein guter Weg für sein würden technologisch fortgeschrittene Aliens, um Kontakt herzustellen über interstellare Distanzen. Danke, dass du Quantum seltsam hältst!
