Entangling är av central betydelse för 2000-talets nya kvantteknologier. Ett tysk-österrikiskt forskarlag presenterar nu det hittills största intrasslade kvantregistret av individuellt styrbara system, bestående av totalt 20 kvantbitar. Fysikerna i Innsbruck, Wien och Ulm driver experimentella och teoretiska metoder till gränsen för vad som är möjligt för närvarande.

En del av de nya kvantteknologierna som sträcker sig från extremt precisa sensorer till universella kvantdatorer kräver ett stort antal kvantbitar för att kunna utnyttja kvantfysikens fördelar. Fysiker över hela världen arbetar därför med att implementera intrasslade system med fler kvantbitar. Rekordet innehas för närvarande av Rainer Blatts forskargrupp vid Institutet för experimentell fysik vid universitetet i Innsbruck. Under 2011, fysikerna trasslade in 14 individuellt adresserbara kvantbitar för första gången och realiserade därmed det största helt intrasslade kvantregistret. Nu, en forskargrupp ledd av Ben Lanyon och Rainer Blatt vid Institute of Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI) vid den österrikiska vetenskapsakademin, tillsammans med teoretiker från University of Ulm och Institute of Quantum Optics and Quantum Information i Wien, har uppnått kontrollerad multi-partikel intrassling i ett system med 20 kvantbitar. Forskarna kunde upptäcka äkta multi-partikel intrassling mellan alla närliggande grupper om tre, fyra och fem kvantbitar.

Äkta multi-partikel intrassling

Fysiskt, intrasslade partiklar kan inte beskrivas som individuella partiklar med definierade tillstånd, men bara som ett komplett system. Det är särskilt svårt att förstå intrassling när många partiklar är inblandade. Här, en distinktion måste göras mellan intrassling av enskilda partiklar och äkta multi-partikel intrassling. Detta kan bara förstås som en egenskap hos det övergripande systemet för alla berörda partiklar, och kan inte förklaras av att en kombination av delsystemen är intrasslade.

Vid Institutet för kvantoptik och kvantinformation i Innsbruck, teamet av fysiker använde laserljus för att trassla in 20 kalciumatomer i ett jonfälla-experiment och observerade den dynamiska utbredningen av multi-partikel intrassling i detta system. "Partiklarna är först intrasslade i par, " beskriver Lanyon. "Med de metoder som utvecklats av våra kollegor i Wien och Ulm, vi kan sedan bevisa den ytterligare spridningen av intrasslingen till alla närliggande partikeltripletter, de flesta fyrlingar och några få femlingar.

Dessa detektionsmetoder har utvecklats av Martin Plenios forskargrupp vid universitetet i Ulm och Marcus Hubers team vid IQOQI Wien. "Vi har valt en MacGyver-strategi, " säger första författaren Nicolai Friis. "Vi var tvungna att hitta ett sätt att upptäcka intrassling av flera partiklar med ett litet antal möjliga mätinställningar."

Forskarna tog ett komplementärt tillvägagångssätt:Gruppen kring Huber och Friis använde en metod som bara kräver ett fåtal mätningar och vars resultat lätt kan utvärderas. På det här sättet, intrasslingen av tre partiklar kunde påvisas i experimentet. Teoretikerna från Ulm använde en mer komplex teknik baserad på numeriska metoder. "Även om den här tekniken är effektiv, den når också sina gränser på grund av den kraftiga ökningen av datoransträngning på grund av antalet kvantbitar, " säger Oliver Marty från Martin Plenios forskargrupp. "Det var därför användbarheten av denna metod också upphörde med upptäckten av verklig fempartikelintrassling."

Ett stort steg mot ansökan

"Det finns kvantsystem som ultrakalla gaser där intrassling mellan ett stort antal partiklar har upptäckts, säger Nicolai Friis. Innsbruck-experimentet kan adressera och läsa ut varje enskild kvantbit individuellt." Det är därför lämpligt för praktiska tillämpningar som kvantsimuleringar eller kvantinformationsbehandling. Rainer Blatt och hans team hoppas kunna öka antalet kvantbitar i experimentet. "Vårt mål på medellång sikt är 50 partiklar, ", säger han. "Detta kan hjälpa oss att lösa problem som de bästa superdatorerna idag fortfarande inte lyckas med."

De metoder som utvecklats för jonfällningsexperimentet i Innsbruck kommer att användas mer allmänt, fysikerna i Ulm och Wien är övertygade. "Vi vill flytta gränserna för våra metoder ytterligare, " säger Friis och Marty. "Genom att utnyttja symmetrier och fokusera på vissa observerbara, vi kan ytterligare optimera dessa metoder för att upptäcka ännu mer omfattande multi-partikel intrassling.

Forskningen publicerades i Fysisk granskning X .