Forscher der University of Sydney haben die Möglichkeit demonstriert, die Zukunft von Quantensystemen zu „sehen“ und nutzten dieses Wissen, um deren Zerstörung zuvorzukommen. Das ist ein bedeutender Schritt, der helfen könnte, die seltsame und mächtige Welt der Quantentechnologie näher an die Realität zu bringen.
Die Anwendungen von quantenaktivierten Technologien sind verlockend und demonstrieren bereits entscheidende Einflüsse – insbesondere auf dem Gebiet der Abtastung und Messtechnik. Und das Potenzial, außergewöhnlich leistungsfähige Quantencomputer zu konstruieren, die Quantenbits (Qubits) verwenden, treibt die Beteiligung der weltweit größten Unternehmen an.
Ein wesentliches Hindernis bei der Konstruktion zuverlässiger Quantentechnologien war allerdings der Zufallsfaktor der Quantensysteme durch ihre Umgebungen. Die Dekohärenz zerstört den nützlichen Quantencharakter.
Die Physiker haben einen technischen Quantensprung hinsichtlich dieses Problems gemacht, indem sie Big-Data-Techniken nutzten, um vorherzusagen, wie Quantensysteme sich verändern werden, und dann den Zusammenbruch des Systems verhinderten. Die Forschungsarbeit wurde am 14. Januar 2017 im Journal Nature Communications veröffentlicht.
„Ähnlich wie die einzelnen Komponenten in Mobiltelefonen letztendlich versagen werden, tun das auch Quantensysteme“, sagte der Senior-Autor der Abhandlung, Professor Michael J. Biercuk. „Aber in der Quantentechnologie wird die Lebensdauer normalerweise in Bruchteilen einer Sekunde gemessen und nicht in Jahren.“
Professor Biercuk von der School of Physics an der University of Sydney und Chefwissenschaftler am Centre of Excellence for Engineered Quantum Systems des Australian Research Council sagte, seine Gruppe habe demonstriert, dass es möglich sei, die Dekohärenz vorsorglich zu unterdrücken. Der Schlüssel dafür war die Entwicklung einer Technik, um vorherzusagen, wie das System zusammenbrechen wird.
Professor Biercuk betonte die Herausforderungen, Vorhersagen in einer Quantenwelt zu treffen: „Menschen wenden Vorhersagemethoden in ihrem täglichen Alltag an, beispielsweise sehen sie beim Tennisspielen voraus, wo der Ball aufkommen wird, basierend auf den Beobachtungen des Balls in der Luft“, sagte er.
Das funktioniert, weil die Gesetze, denen die Bewegungen des Balls unterliegen (etwa die Gravitation) geregelt und bekannt sind. Aber was ist, wenn sich die Gesetze zufällig ändern, während der Ball auf seinem Weg durch die Luft ist? In diesem Fall ist es nahezu unmöglich, das zukünftige Verhalten des Balls vorherzusehen.
„Und dennoch ist genau das die Situation, mit der wir uns beschäftigen mussten, weil der Zusammenbruch von Quantensystemen auf dem Zufall beruht. Außerdem löscht die Beobachtung im Quantenreich den Quantencharakter aus, deshalb musste unser Team in der Lage sein vorherzusehen, wie und wann das System per Zufall zusammenbrechen würde. Wir mussten gewissermaßen den sich zufällig bewegenden Tennisball schlagen, während uns die Augen verbunden waren.“
Das Team wandte sich dem maschinellen Lernen zu, um ihre Quantensysteme (Qubits in Form gefangener Atome) vor dem Zusammenbruch zu bewahren. Was wie ein zufälliges Verhalten aussehen mag, enthielt tatsächlich genug Informationen für ein Computerprogramm, um vorherzusagen, wie sich das System in der Zukunft verändern würde. Dann konnte es die Zukunft ohne direkte Beobachtungen vorhersagen, die die nützlichen Eigenschaften des Systems sonst zerstören würden.
Die Vorhersagen waren bemerkenswert präzise und erlaubten dem Team, ihre Vermutungen vorausschauend zu nutzen, um die angenommenen Veränderungen auszugleichen. Da sie das in Echtzeit taten, konnten sie die Zerstörung des Quantencharakters verhindern und die wertvolle Lebensdauer der Qubits verlängern.
„Wir wissen, dass die Konstruktion echter Quantentechnologien bedeutende Fortschritte in Bezug auf unsere Fähigkeit zur Kontrolle und Stabilisierung von Qubits erfordern wird, um sie in Anwendungen hilfreich zu machen“, sagte Professor Biercuk. „Unsere Techniken lassen sich auf jedes Qubit aus jeder Technologie anwenden, darunter die speziellen supraleitenden Geräte, die von großen Unternehmen genutzt werden. „Wir sind begeistert, neue Möglichkeiten zu entwickeln, die Quantensysteme von Neuheiten in nützliche Technologien verwandeln. Die Quantenzukunft sieht immer besser aus.“
(THK)
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