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

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

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

Echt werden über Realismus

Albert Einstein war bekanntermaßen unbehaglich mit einigen der Folgen der Quantenverschränkung. Wenn die Quantenmechanik korrekt ist, verhält sich ein Paar verschränkter Objekte wie ein einzelnes Quantensystem, unabhängig von der Entfernung zwischen ihnen. Das Ändern des Zustands von einem muss sofort den Zustand des zweiten ändern, da die Änderung schneller zu erfolgen scheint als die Möglichkeit, dass Licht zwischen den beiden Objekten wandert. Das ist 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 diktieren, lokalisiert bleiben. Verborgene Variablen erhalten einen sogenannten „lokalen Realismus“ aufrecht, aber es stellt sich heraus, dass sie unsere Realität nicht wirklich beschreiben.

Der Physiker John Bell zeigte, dass alle Rahmenbedingungen für lokale Variablen den Grad begrenzen, in dem das Verhalten von Quantenobjekten in Beziehung gesetzt werden kann. Doch die Quantenmechanik rechnet mit noch höheren Korrelationen. Indem wir das Verhalten von Paaren verschränkter Teilchen messen, können wir bestimmen, ob sie die Bellschen Gleichungen verletzen, und somit eindeutig beweisen, dass verborgene Variablen ihr Verhalten nicht erklären.

Die ersten Schritte in Richtung dieser Demonstration waren schlecht für versteckte Variablen, ließen aber Schlupflöcher zu – obwohl Bells Ungleichung verletzt wurde, könnte es immer noch sein, dass Informationen zwischen Quantenobjekten mit Lichtgeschwindigkeit übertragen werden. Doch in den vergangenen Jahrzehnten wurden die Schlupflöcher nach und nach geschlossen und die Nobelpreise vergeben.

Warum also auf Experimente zurückgreifen? Zum Teil, weil Qubits uns eine große Kontrolle über das System geben, was es uns ermöglicht, 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 sehr energiearmer Mikrowellenphotonen zwischen den beiden. Und das ohne Umgebungslärm, der alles verdirbt, ist eine große Herausforderung.

Gruselige Action auf 30 Meter

Die Bellsche Ungleichung zu verletzen, ist eine relativ einfache Sache, wiederholt verschränkte Teilchen 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, sogenannte Translats, werden so hergestellt, dass die Messung trivial, genau und schnell ist. Dieser Teil ist also einfach.

Die Beseitigung einer der größten Lücken in diesen Messungen ist der Punkt, an dem es schwierig wird. Sie müssen zeigen, dass die Korrelation in Messungen nicht durch Informationen vermittelt werden kann, die mit Lichtgeschwindigkeit übertragen werden. Da Messungen so wenig Zeit in Anspruch nehmen, bedeutet dies, dass Sie die beiden Qubits weit genug voneinander trennen müssen, damit die Messung abgeschlossen werden kann, bevor das Licht zwischen ihnen hindurchläuft. Basierend auf der Dauer der Messungen errechnete das Forschungsteam hinter der neuen Arbeit, das an der ETH Zürich arbeitet, dass 30 Meter ausreichen würden.

Während sich dies in einem anderen Laborgebäude gleich um die Ecke befindet, sind 30 Meter aufgrund des Verschränkungsprozesses, bei dem energiearme Mikrowellenphotonen verwendet werden, die leicht in einem Meer von Umgebungsgeräuschen verloren gehen können, eine ziemliche Herausforderung. Praktisch bedeutet dies, dass alles, was an diesen Photonen anhaftet, auf denselben Millikelvin-Temperaturen bleiben muss wie die Qubits selbst. Deshalb muss der 30 Meter lange Aluminiumdraht, der als Wellenleiter für Mikrowellen dient, auf einen Bruchteil eines Grads über dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden.

In der Praxis bedeutete dies, dass die gesamte Baugruppe gebaut wurde, um den Zugang des Drahts zu Kühlsystemen mit flüssigem Helium, die an jedem Ende Qubits enthalten, kühl zu halten – und ein separates Kühlsystem am Mittelpunkt der 30-Meter-Röhre zu bauen. 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 am Ende um erstaunliche 22 Standardabweichungen über der von Bells Gleichungen festgelegten Grenze. Mit anderen Worten, der p-Wert des Ergebnisses war kleiner als 10^-108.

Kommende Dinge?

Die beiden Hauptfaktoren, die die Systemleistung begrenzen, sind Fehler in den Qubits und der Verlust von Photonen, die bei ihrer Verschränkung verwendet werden. Die Forscher glauben, dass sie beides verbessern können, was Qubits möglicherweise zum strengsten Test für Bell-Ungleichungen macht. Aber die Arbeit könnte wichtiger werden, weil sich die Qubits verheddern.

Jeder, der mit supraleitenden Qubits arbeitet, sagt, dass wir irgendwann Tausende von ihnen zu 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 schließlich, 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 zu halten. 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 Arten von Systemen hinweg verbinden können.

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