Ein internationales Forschungsteam mit Beteiligung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) zeigt, wie ein Qubit mit der Zeit seine besonderen Eigenschaften verliert – ganz ohne sich auf die Quantentheorie zu verlassen. Das grosse Ziel: Quantenprozesse besser verstehen.
In unserem Alltag ist vieles klar geregelt: Wenn wir einen Schalter drücken, geht das Licht an. Wenn wir einen Ball fallen lassen, fällt er nach unten. Auch in der klassischen Physik geht man davon aus, dass Dinge feste Eigenschaften haben. In der Welt der Quantenphysik ist das anders: Dort können Teilchen mehrere Zustände gleichzeitig haben und sich sehr empfindlich verhalten.
Genau diese Empfindlichkeit ist ein Problem für Quantencomputer. Ihre kleinste Rechen- und Informationseinheiten, Qubits, basieren auf den Gesetzen der Quantenmechanik und reagieren stark auf ihre Umgebung. Schon kleine Störungen können dazu führen, dass sie ihre besonderen Eigenschaften verlieren. Dieses Phänomen nennt man Dekohärenz.
In einer neuen Studie untersucht ein internationales Forschungsteam mit Beteiligung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) ein sogenanntes supraleitendes Qubit. Dabei verfolgen die Forschenden einen ungewöhnlichen Ansatz. Sie wollen das Verhalten des Systems beschreiben, ohne von Anfang an zu sagen: Das ist ein Quantensystem und folgt der Quantentheorie.
Caroline L. Jones vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der ÖAW erklärt den Hintergrund so: "Wir wollen Quantensysteme beschreiben, ohne einfach vorauszusetzen, dass die Quantentheorie stimmt. Denn wir sind offen für die Möglichkeit, dass die Quantentheorie vielleicht nicht unsere endgültige physikalische Theorie ist."
Ein Grund dafür ist, dass sich die Quantentheorie bis heute nicht vollständig mit Einsteins Relativitätstheorie vereinigen lässt. "Sie sind bisher nicht zu einer einheitlichen Theorie zusammengeführt worden“, sagt Jones. Deshalb könne es sein, dass die heutige Beschreibung der Natur eines Tages ergänzt oder verändert wird.
Um trotzdem verlässliche Aussagen zu bekommen, nutzen die Forschenden ein allgemeines mathematisches Modell. Es beschreibt nur das, was im Experiment wirklich messbar ist: welche Knöpfe gedrückt werden, welche Messungen gemacht werden und welche Ergebnisse dabei auftreten. "Uns interessieren vor allem die beobachtbaren Eigenschaften: Was können wir im Labor sehen, ohne den Geräten oder einer bestimmten Theorie zu vertrauen?", so Jones.
Im Experiment bereiten die Forschenden das Qubit auf viele verschiedene Arten vor und messen es auf viele verschiedene Weisen. Jede Kombination wird tausendfach wiederholt. So entsteht eine grosse Sammlung von Messdaten. "Wir haben etwa hundert verschiedene Vorbereitungen und hundert verschiedene Messungen. Daraus entsteht eine grosse Tabelle mit Wahrscheinlichkeiten“, erklärt Jones. Aus diesen Daten rekonstruieren die Forschenden, wie sich das Qubit im Laufe der Zeit verhält. Sie beobachten, wie sich sein Zustand langsam verändert – ganz ohne quantentheoretische Annahmen.
Am Anfang zeigt das Qubit typische Quanteneigenschaften. Es verhält sich nicht wie ein gewöhnliches Objekt. Man kann es sich so vorstellen, als würde es auf verschiedene Arten von Fragen unterschiedlich antworten. Würde man in der normalen Welt einen Gegenstand fragen: "Wie schwer bist du?“ oder "Welche Farbe hast du?“, bekommt man immer dieselbe Antwort – egal, wer fragt oder wie genau gefragt wird. Bei einem Qubit ist das anders. Hier hängt die Antwort davon ab, wie man fragt. "In der klassischen Physik glauben wir, dass Messungen feste Eigenschaften aufdecken. In manchen Systemen stimmt das aber nicht – das Ergebnis hängt davon ab, wie gemessen wird“, sagt Jones. Das heisst: Das Qubit hat nicht einfach feste Eigenschaften, die man nur abliest. Die Art der Frage – also die Art der Messung – beeinflusst die Antwort. Je nachdem, wie man misst, bekommt man ein anderes Ergebnis. Das ist typisch für die Quantenwelt.
Doch mit der Zeit verändert sich das Qubit. Die Forschenden sehen, dass diese besonderen Eigenschaften schwächer werden. "Mit der Zeit verliert das System seine Kohärenz und seine Kontextualität. Es wird immer klassischer", erklärt Jones.
Das Qubit verhält sich also zunehmend wie ein gewöhnliches physikalisches System. Dieser Übergang war zwar aus der Quantentheorie bekannt – wurde hier aber zum ersten Mal unabhängig davon beobachtet. Zusätzlich entdecken die Forschenden, dass das Qubit später ein "Gedächtnis“ entwickelt: Sein Verhalten hängt nicht nur vom aktuellen Zustand ab, sondern auch von seiner Vergangenheit.
Die Studie zeigt, dass man das Verhalten von Quantenbauteilen allein aus Messdaten verstehen kann – ohne blind auf eine Theorie oder auf perfekte Geräte zu vertrauen. "Wir wollen, dass unsere Ergebnisse auch dann noch gültig sind, wenn sich unsere Theorien einmal ändern“, sagt Jones. Für die Grundlagenforschung bedeutet das mehr Sicherheit. Für die Entwicklung von Quantencomputern kann es die Basis für neue Werkzeuge liefern, um zu überprüfen, wie stabil Qubits wirklich sind – und wann sie anfangen, ihre besonderen Eigenschaften zu verlieren.
