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Seit über 60 Jahren gilt das Bellsche Theorem als Goldstandard, um zu zeigen, dass die Quantenmechanik den Regeln der klassischen Physik widerspricht. Ein internationales Forschungsteam, darunter Prof. Dr. Nicolas Gisin von der Constructor University in Bremen, hat dieses Prinzip nun erweitert, indem es ein sogenanntes „elegantes Dreieck“ nutzte, um neue Formen der Quanten-Nichtlokalität in Netzwerken mit mehreren Knotenpunkten aufzudecken.
Die Studie, veröffentlicht in der renommierten Fachzeitschrift Physical Review Letters, stößt in neue Grenzbereiche vor: Sie erweitert unser Verständnis darüber, wie sich Quantenkorrelationen in realistischen Netzwerkumgebungen verhalten, und könnte so den Weg in das Zeitalter des Quanteninternets ebnen.
„Dies ist nicht einfach eine kompliziertere Version des Bellschen Theorems, die auf Netzwerke angewandt wurde; es ist etwas völlig Neues, das erst dann entsteht, wenn mehrere unabhängige Quantenquellen durch verschränkte Messungen interagieren“, erklärt Prof. Gisin, der bei dem Experiment mit Forscher*innen aus China, Frankreich und Österreich zusammenarbeitete.
Das Bellsche Theorem, das 2022 mit dem Nobelpreis für Physik gewürdigt wurde, bewies, dass ein Paar verschränkter Teilchen, die über eine große Distanz voneinander getrennt sind und zufällig gemessen werden, irgendwie verbunden bleiben können. Sie weisen Korrelationen auf, die über das hinausgehen, was jede klassische Physiktheorie erklären kann – ein Phänomen, das als Quanten-Nichtlokalität bekannt ist. Dieses widersprüchliche Verhalten verblüffte klassische Physiker wie Albert Einstein, der die Vorstellung ablehnte, dass die physikalischen Eigenschaften der Teilchen erst bei der Messung festgelegt werden, und dazu berühmt bemerkte, dass „Gott nicht würfelt“. Dennoch haben jahrzehntelange Experimente bestätigt, dass die Natur tatsächlich diesen probabilistischen Quantenregeln folgt.
Obwohl sie grundlegend sind, beinhalten Bell-Tests normalerweise nur eine einzige Quelle, die verschränkte Teilchen an zwei Beobachter*innen verteilt, die wiederum zufällig eine von mehreren möglichen Messungen auswählen. Das neueste Experiment von Prof. Gisin et al. ging über dieses Paradigma hinaus, indem es die Nichtlokalität in einem Quantennetzwerk untersuchte, das aus mehreren unabhängigen Quellen und miteinander verbundenen Knotenpunkten besteht. Konkret nutzte das Experiment ein „Dreiecksnetzwerk“, bei dem drei Beobachter*innen als Knotenpunkte fungierten, die drei separate Quellen verschränkter Teilchen verbanden, welche zwischen ihnen in einer Dreiecksformation verteilt waren. Die Beobachter*innen führten dann feste Quantenmessungen durch, wodurch die zufällige Auswahl der Messung vollständig entfiel.
Diese scheinbar minimalen Änderungen führen eine tiefgreifende neue Ebene der Komplexität ein, vergleichbar mit dem Übergang von einer zwei- zu einer dreidimensionalen Welt. Anstatt einer einzigen gemeinsamen Quelle maß jede*r Beobachter*in Teilchen aus zwei unabhängigen Quellen, wodurch ein komplexeres Geflecht von Beziehungen entstand. Die Ergebnisse waren beeindruckend: Selbst in dieser verteilten Konfiguration mit mehreren Quellen und ohne Zufallsmessungen wurden Korrelationen zwischen allen drei Quellen beobachtet, die allen klassischen Physikmodellen widersprechen. Die Ergebnisse belegen eine eigenständige Form der Netzwerk-Nichtlokalität namens „echte Quantennetzwerk-Nichtlokalität“ (genuine quantum network nonlocality), die aus der Netzwerkstruktur selbst hervorgeht und nicht auf ein standardmäßiges Zwei-Teilchen-Bell-Szenario reduziert werden kann.
Um dies zu erreichen, erzeugte das Team die sogenannte „elegante Verteilung“ (elegant distribution) – ein spezifisches Korrelationsmuster, von dem vorhergesagt wurde, dass es dieses netzwerkabhängige Verhalten aufweist. Mithilfe von Techniken des maschinellen Lernens und ausgefeilter mathematischer Analysen zeigten die Forscher*innen, dass diese Korrelationen durch kein klassisches Modell reproduziert werden können, selbst wenn dieses komplexe Muster verborgener Variablen zulässt, die innerhalb des Dreiecksnetzwerks geteilt werden.
„Die elegante Verteilung ist in besonderem Maße charakteristisch für das Dreiecksnetzwerk“, erklärt Prof. Gisin. „Dies lässt sich nicht auf Standard-Bell-Tests reduzieren, die lediglich in einen komplexeren Aufbau eingebettet sind. Es demonstriert ein Quantenverhalten, das ein reines Netzwerkphänomen darstellt.“
Die Ergebnisse legen nahe, dass Quanten-Nichtlokalität nicht auf idealisierte Laborumgebungen beschränkt ist, sondern sich auf jene komplexen, realistischen Netzwerkstrukturen erstreckt, die künftigen Quantentechnologien zugrunde liegen könnten. Dies ist besonders relevant für die Entwicklung groß angelegter Quantennetzwerke, die darauf abzielen, Quantengeräte über Distanzen hinweg zu verbinden – oft als „Quanteninternet“ bezeichnet.
Der Nachweis, dass nichtlokale Korrelationen in solchen Netzwerken mit festen Messungen erzeugt und verifiziert werden können, ist ein wichtiger Schritt, um diese Technologien praktikabel zu machen und neue Formen der Quantensicherheit, Verifizierung und der Erzeugung von echtem Zufall voranzutreiben.
„Die Möglichkeiten für spätere Anwendungen sind äußerst spannend, da sich Quantennetzwerke von Labordemonstrationen hin zum realen Einsatz entwickeln“, sagt Prof. Gisin. „Dazu gehören Fortschritte in der Quantensicherheit, wie die geräteunabhängige Kryptografie, die eine ultra-sichere Kommunikation über zukünftige Quantennetzwerke ermöglichen könnte.“
Das Experiment wurde an der University of Science and Technology of China im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit durchgeführt, an der Institutionen aus China, Deutschland, der Schweiz, Spanien und Frankreich beteiligt waren. Zu den Finanzierungsquellen gehörten das Innovation Program for Quantum Science and Technology, die National Natural Science Foundation of China, der Europäische Forschungsrat und andere Organisationen.
Mit Blick auf die Zukunft sagt Prof. Gisin, dass diese Arbeit neue Wege für Theorie und Experiment eröffnet. „So wie das Bellsche Theorem enthüllte, dass Quantenteilchen auf eine Weise korreliert sind, die die klassische Physik nicht erklären kann, sehen wir nun, dass Quantennetzwerke Korrelationsformen erzeugen, die sogar über diese Szenarien hinausgehen“, sagt er. „Es ebnet den Weg für weitere Experimente und die Erforschung größerer, komplexerer Quantennetzwerke, während wir auf ein skalierbares Quanteninternet hinarbeiten.“
Dr. Nicolas Gisin, Professor of Physics, Constructor University
Nicolas.Gisin@unige.ch
https://doi.org/10.1103/5hhc-rw3t - "Experimental Genuine Quantum Nonlocality in the Triangle Network"
Physikprofessor an der Constructor University und Mitglied der Constructor Group Strategic Advisory ...
Source: Constructor University
Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars, Students, all interested persons
Electrical engineering, Information technology, Mechanical engineering, Physics / astronomy
transregional, national
Research results
German
Physikprofessor an der Constructor University und Mitglied der Constructor Group Strategic Advisory ...
Source: Constructor University
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