Genom slumpmässigt valda mätningar, Österrikiska fysiker kan nu bestämma kvantintrasslingen av många partikelsystem. Med den nyutvecklade metoden, kvantsimuleringar kan utökas till ett större antal kvantpartiklar. I Vetenskap , fysiker från Innsbruck, Österrike, rapportera om den första framgångsrika demonstrationen av denna metod.

Kvantfenomen är experimentellt svåra att hantera. Ansträngningen ökar dramatiskt med storleken på systemet. Forskare kan kontrollera små kvantsystem och undersöka kvantegenskaper. Sådana kvantsimuleringar anses lovande tidiga tillämpningar av kvantteknologier som skulle kunna lösa problem där simuleringar på konventionella datorer misslyckas. Dock, de kvantsystem som används som kvantsimulatorer behöver vidareutvecklas. Att trassla ihop många partiklar är fortfarande ett fenomen som är svårt att förstå. "För att driva en kvantsimulator som består av 10 eller fler partiklar i laboratoriet, vi måste karakterisera systemets tillstånd så exakt som möjligt, " förklarar Christian Roos från Institutet för kvantoptik och kvantinformation vid Österrikiska vetenskapsakademin.

Än så länge, kvanttillståndstomografi har använts för karakterisering av kvanttillstånd med vilka systemet kan beskrivas fullständigt. Den här metoden, dock, innebär en mycket hög mät- och beräkningsansträngning och är inte lämplig för system med mer än ett halvdussin partiklar. Två år sedan, forskarna ledda av Christian Roos, tillsammans med kollegor från Tyskland och Storbritannien, presenterade en effektiv metod för karakterisering av komplexa kvanttillstånd. Dock, endast svagt intrasslade tillstånd kunde beskrivas med denna metod. Denna fråga har nu kringgåtts av en ny metod som presenterades förra året av teoretiker under ledning av Peter Zoller, som kan användas för att karakterisera vilket som helst intrasslat tillstånd. Tillsammans med experimentfysikerna Rainer Blatt och Christian Roos och deras team, de har nu demonstrerat denna metod i laboratoriet.

Kvantsimuleringar på större system

"Den nya metoden bygger på upprepad mätning av slumpmässigt utvalda transformationer av enskilda partiklar. Den statistiska utvärderingen av mätresultaten ger sedan information om graden av intrassling av systemet, " förklarar Andreas Elben från Peter Zollers team. De österrikiska fysikerna demonstrerade processen i en kvantsimulator bestående av flera joner arrangerade i rad i en vakuumkammare. Utgående från ett enkelt tillstånd, forskarna låter de enskilda partiklarna interagera med hjälp av laserpulser och genererar på så sätt intrassling i systemet.

"Vi utför 500 lokala transformationer på varje jon och upprepar mätningarna totalt 150 gånger för att sedan kunna använda statistiska metoder för att fastställa information om intrasslingstillståndet från mätresultaten, " förklarar doktoranden Tiff Brydges från Institute of Quantum Optics and Quantum Information.

I arbetet som nu publiceras i Vetenskap , Innsbruck-fysikerna karakteriserade den dynamiska utvecklingen av ett system bestående av 10 joner samt ett subsystem bestående av tio joner i en 20-jonskedja. "I laboratoriet, denna nya metod hjälper oss mycket, eftersom det gör det möjligt för oss att förstå vår kvantsimulator ännu bättre, och, till exempel, för att bedöma renheten av intrasslingen mer exakt, säger Christian Roos, som antar att den nya metoden framgångsrikt kan tillämpas på kvantsystem med upp till flera dussin partiklar.