Neue Quantenzustände für bessere Computer

Die Quantenmechanik erlaubt es, dass Objekte gleichzeitig in mehreren Zuständen existieren – ein Prinzip, das durch Schrödingers Katze berühmt wurde. In Laboren erzeugen Forscher solche Überlagerungen (Superpositionen) etwa mit Atomen oder Lichtteilchen. Bisher nutzte man dafür meist einfache Zwei-Zustands-Systeme, sogenannte Qubits. Doch die Natur bietet mehr: Quantenharmonische Oszillatoren, die viele Energiezustände annehmen können, erlauben weit komplexere Überlagerungen.

Ein Team der Universität Oxford hat nun eine völlig neue Familie solcher Superpositionen demonstriert. Statt wie üblich zwei entgegengesetzt schwingende Wellenpakete zu überlagern, kombinierten die Forscher Komponenten, die selbst bereits stark quantenmechanisch sind – sogenannte gequetschte Zustände. Dabei wird die quantenmechanische Unschärfe ungleichmäßig auf verschiedene Teile des Zustands verteilt.

Die Experimente nutzten die Bewegung eines einzelnen gefangenen Ions. Dieses Ion vereint zwei Quantensysteme: seinen inneren Zustand (ein Qubit) und seine Bewegung (ein harmonischer Oszillator). Durch gezielte Wechselwirkungen und eine Zwischenmessung am Qubit konnten die Forscher die Bewegung des Ions in die gewünschte Superposition aus nichtklassischen Komponenten versetzen. „Dieser Ansatz gab uns ein Werkzeug, um die Quantenüberlagerung in fast jede beliebige Form zu bringen“, erklärt Dr. Sebastian Saner, Hauptautor der Studie.

Die Methode erlaubt eine programmierbare Kontrolle: Die Forscher konnten Größe, Ausrichtung und Abstand der Komponenten in der Superposition verändern. Messungen bestätigten, dass es sich um echte Quantenzustände handelt – sie zeigten Interferenzmuster und Bereiche negativer Wigner-Funktion, die klassische Systeme nicht aufweisen können.

Die Arbeit, veröffentlicht in Physical Review X, könnte die Quantencomputer-Entwicklung voranbringen. Solche Zustände sind möglicherweise widerstandsfähiger gegen Fehler und erlauben einfachere Fehlerkorrektur. „Wir glauben, dass wir erst an der Oberfläche dessen kratzen, was möglich ist“, sagt Dr. Raghavendra Srinivas, der die Forschung leitete. Die Ergebnisse bieten zudem eine neue experimentelle Plattform, um die Grenze zwischen Quantenwelt und klassischer Alltagserfahrung zu untersuchen.