Algorithmus hilft in der Quantenmechanik weiter

Da sich die Abläufe der Quantenmechanik nur bedingt fassen lassen, setzen Wiener Physiker seit ein paar Jahren auf Hilfe: Ihr Algorithmus «Melvin» hat nun vorgeschlagen, die fragile «Action» komplexer Anordnungen in Behelfsphotonen auszulagern.

So können miteinander verbundener Lichtteilchen gezielt manipuliert werden, ohne dass das ursprüngliche Konstrukt gestört oder gar zerstört wird.

Vor vier Jahren stellte das Team um Mario Krenn und Anton Zeilinger seinen Algorithmus im Fachmagazin «Physical Review Letters» vor. Das Team arbeitet am Wiener Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW). Die Idee hinter dem Algorithmus war, ein völlig unvoreingenommen System zu entwickeln, das nach Lösungen quantenphysikalischer Fragen sucht.

Physiker können mittlerweile Quanteninformation zwischen zwei wie durch Geisterhand verbundenen Lichtteilchen (Photonen) übertragen. Dieses Phänomen besagt, dass eine Veränderung an einem Teilchen unmittelbar den Zustand des anderen festlegt. Die Distanz scheint dabei keine Rolle zu spielen.

Misst man an einem Teilchen etwa die Richtung der Lichtschwingung, zeigt sich, dass das Partnerteilchen auch in derselben Richtung schwingt. Forscher machen sich diese «Quantenteleportation» in der Informationsübertragung zunutze.

Will man aber ein leistungsfähigen Quantencomputer bauen, müssen möglichst viele Bits an Information in die sehr störungsanfälligen Quantensysteme gepackt werden. Zudem braucht es grössere Ensembles an in mehreren Dimensionen verschränkten Lichtteilchen. Diese lassen sich jedoch nicht nur schwer herstellen, sondern auch nur schwer kontrollieren.

Bei der Frage, wie sich derartiges im Labor umsetzen liesse, setzten die Wissenschaftler auf «Melvin». Für die nun ebenfalls im Fachblatt «Physical Review Letters» vorgestellten Auseinandersetzung lief der Algorithmus drei Monate lang auf 80 Rechenkernen. Am Ende ging es für das Forscherteam darum, aufzuarbeiten, welche Ansätze in dem Vierteljahr herauskamen.

«Wir haben es nach und nach geschafft, die Lösungen, die Melvin gefunden hat, zu verstehen. Und so unser grundsätzliches Verständnis der Manipulation von Vielteilchensystemen erweitert», so Krenn.

Um auch bei solch komplexen Quantensystemen Messungen vornehmen zu können, schlug der findige Algorithmus die Einführung von Behelfsphotonen vor. Diese zusätzlichen Lichtteilchen könnten ausgelesen werden, ohne dass dadurch das gesamte Quantengebilde zusammenfällt. Über ein derartiges Behelfsphoton könnte sich aber auch das System selbst kontrollieren lassen.

«Melvin hat es geschafft, die gesamte Action in einem Photonensystem in einen komplexen Zustand der Behelfsphotonen auszulagern. Durch die Unterstützung durch den Algorithmus wissen wir jetzt genau, wie und warum das funktioniert», so Krenn. Die Wissenschaftler wollen sich nun daran machen, die maschinell entwickelte Herangehensweise im Labor umzusetzen.