Experimental high-dimensional multi-qubit Bell non-locality on a superconducting quantum processor

In diesem Experiment demonstrieren die Forscher auf einem supraleitenden Quantenprozessor erstmals gleichzeitig hochdimensionale und Vielteilchen-Bell-Nichtlokalität, indem sie eine signifikante Verletzung der Bellschen Ungleichung zwischen zwei 64-dimensionalen Systemen nachweisen.

Das Wesentliche

Das Rätsel der „magischen Würfel“: Wie Forscher die Quantenwelt im Großen getestet haben

Stellen Sie sich vor, Sie haben zwei magische Würfel. Sie geben einen Würfel einem Freund in Berlin und behalten den anderen in München. Wenn Sie beide gleichzeitig werfen, passiert etwas Unmögliches: Jedes Mal, wenn Sie eine „6“ würfeln, zeigt der Würfel Ihres Freundes in Berlin auch eine „6“. Und das nicht nur einmal, sondern jedes einzelne Mal, egal wie oft Sie es versuchen.

In unserer normalen Welt wäre das Betrug. Man müsste doch geheime Funkgeräte oder versteckte Computer benutzen, um die Ergebnisse abzusprechen, oder? In der Welt der kleinsten Teilchen (der Quantenwelt) ist das jedoch möglich. Das nennen Physiker „Nichtlokalität“. Es ist, als wären die Teilchen durch ein unsichtbares, magisches Band verbunden, das schneller als das Licht kommuniziert.

Was haben die Forscher gemacht?

Bisher konnten Wissenschaftler diesen „Zauber“ meist nur mit ganz einfachen Objekten testen – quasi mit zwei normalen sechsseitigen Würfeln.

Die Forscher in diesem Papier haben aber etwas viel Größeres gewagt. Sie haben nicht nur zwei Würfel benutzt, sondern zwei riesige, hochkomplexe „Super-Würfel“. Anstatt nur 6 Seiten hatten diese Würfel 64 verschiedene Ergebnisse! Und das Beste: Diese Würfel bestanden nicht aus einem einzigen Stück, sondern aus einer Gruppe von 12 winzigen Quanten-Bausteinen (Qubits), die zusammenarbeiteten.

Die Analogie: Das Orchester statt der Solisten

Um zu verstehen, warum das so besonders ist, nutzen wir eine Metapher aus der Musik:

1. Die alte Methode (Zwei-Qubit-Tests): Das war wie ein Duett zwischen zwei Flötisten. Man konnte zwar hören, dass sie perfekt zusammenspielen, aber es war eben nur ein Duett.
2. Die neue Methode (Dieser Durchbruch): Die Forscher haben ein ganzes Orchester (die 12 Qubits) auf einem speziellen Quanten-Computer (einem „Superconducting Processor“) zum Klingen gebracht.

Die Forscher wollten zwei Dinge beweisen:

• Erstens: Die Komplexität. Sie haben gezeigt, dass die Verbindung zwischen den beiden Gruppen so stark und vielschichtig ist, dass sie die Regeln der klassischen Physik (die „lokale Realität“) massiv verletzen. Es ist nicht nur ein einfaches „Ja/Nein“, sondern ein hochkomplexes Muster aus 64 Möglichkeiten.
• Zweitens: Das Teamwork. Sie haben getestet, ob der „Zauber“ vielleicht nur von zwei einzelnen Musikern im Orchester kommt. Das Ergebnis: Nein! Wenn man auch nur einen einzigen Musiker leicht aus dem Takt bringt, verändert sich das gesamte Klangbild. Das beweist, dass die Magie aus der gemeinsamen Zusammenarbeit des gesamten Orchesters entsteht. Es ist eine „kollektive Nichtlokalität“.

Warum ist das wichtig?

Man könnte fragen: „Schön und gut, aber was bringt mir das?“

Stellen Sie sich vor, Sie bauen eine hochmoderne, digitale Festung (einen Quantencomputer). Damit diese Festung sicher ist, müssen Sie wissen, ob die Steine wirklich fest miteinander verbunden sind oder ob sie nur nebeneinander liegen.

Dieser Test ist wie ein ultimativer Belastungstest. Die Forscher haben gezeigt, dass wir heute schon in der Lage sind, so komplexe Quanten-Zustände zu erzeugen, dass sie nicht nur theoretisch existieren, sondern praktisch messbar sind. Das ist ein riesiger Schritt auf dem Weg zu Quantencomputern, die Probleme lösen können, für die heutige Supercomputer Milliarden von Jahren bräuchten.

Zusammenfassung in drei Sätzen:

Die Forscher haben auf einem Quanten-Chip bewiesen, dass Teilchen über weite Distanzen auf eine extrem komplexe, „magische“ Weise miteinander verbunden sein können. Sie haben gezeigt, dass diese Verbindung nicht nur zwischen zwei Einzelteilen besteht, sondern ein Gemeinschaftswerk vieler Teilchen ist. Damit haben sie eine neue Grenze der Physik erreicht und einen neuen Maßstab geschaffen, um die Leistungsfähigkeit zukünftiger Quantencomputer zu prüfen.

Technische Zusammenfassung

Technische Zusammenfassung: Experimentelle hochdimensionale Multi-Qubit-Bell-Nichtlokalität auf einem supraleitenden Quantenprozessor

1. Problemstellung

Die Untersuchung der Bell-Nichtlokalität ist ein zentrales Thema der Quantenmechanik, um die Grenzen der lokalen Realität zu testen. Während klassische Bell-Tests meist auf Zwei-Niveau-Systemen (Qubits, $d=2$) basieren, bieten hochdimensionale Systeme ($d > 2$) theoretische Vorteile wie eine stärkere Verletzung der Bell-Ungleichungen, eine höhere Robustheit gegenüber Rauschen und komplexere Korrelationsstrukturen. Die experimentelle Realisierung solcher Tests in hohen Dimensionen ist jedoch extrem anspruchsvoll, da die Messungen präzise zwischen vielen möglichen Ergebnissen auflösen müssen und die Quantenzustände mit zunehmender Dimension und Teilchenzahl sehr anfällig für Dekohärenz und Rauschen werden.

2. Methodik

Die Autoren nutzen einen programmierbaren supraleitenden Quantenprozessor (ibm aachen), um eine bipartite Korrelation zwischen zwei Subsystemen zu untersuchen, die jeweils aus bis zu sechs Qubits bestehen (was einer Gesamtdimension von $d = 2^6 = 64$ entspricht).

• Zustand und Messung: Es wird ein maximal verschränkter Zustand vorbereitet, der als Tensorprodukt von Bell-Paaren zwischen den Subsystemen betrachtet werden kann. Zur Messung wird die CGLMP-Ungleichung (Collins-Gisin-Linden-Massar-Popescu) verwendet. Die Messoperatoren werden durch eine Kombination aus lokalen Phasenverschiebungen und einer Quanten-Fourier-Transformation (QFT) realisiert.
• Dynamische Schaltkreise (DQFT): Um die Tiefe der Quantenschaltkreise zu reduzieren (was die Fehleranfälligkeit senkt), implementieren die Autoren eine dynamische QFT. Hierbei werden Messungen während der Laufzeit des Schaltkreises durchgeführt, deren Ergebnisse die nachfolgenden Operationen steuern (Measurement-conditioned dynamic circuits).
• Fehlerunterdrückung und -minderung: Zur Kompensation der Hardware-Rauschanteile werden drei wesentliche Techniken kombiniert:
  1. Dynamical Decoupling (DD): Anwendung von Pulssequenzen (z. B. XY4), um Dekohärenz während der Wartezeiten zu minimieren.
  2. Measurement Error Mitigation (EM): Korrektur von Auslesefehlern mittels der M3-Methode (matrix-free measurement mitigation).
  3. Readout EM: Spezifische Korrektur der Messfehler am Ende des Prozesses.

3. Zentrale Beiträge

• Erweiterung der Dimensionen: Die Arbeit demonstriert die Verletzung der Bell-Ungleichung in Dimensionen von bis zu $d=64$, was weit über bisherige photonische Implementierungen hinausgeht.
• Nachweis kollektiver Nichtlokalität: Die Autoren zeigen, dass die Nichtlokalität nicht auf einzelnen Qubits oder einfachen Paaren beruht, sondern eine echte Vielteilchen-Eigenschaft ist. Sie beweisen dies durch:
  • Einzel-Qubit-Perturbationen: Das Verändern der Messachse eines beliebigen Qubits reduziert die Bell-Verletzung, was zeigt, dass jedes Qubit aktiv zur Korrelation beiträgt.
  • Ausschluss von Paar-Korrelationen: Durch die Analyse der Randwahrscheinlichkeiten (Marginals) zeigen sie, dass die meisten Qubit-Paare die CHSH-Ungleichung nicht verletzen. Die beobachtete CGLMP-Verletzung muss also aus kollektiven, multipartiten Korrelationen resultieren.

4. Ergebnisse

• Hohe Konfidenz: Für Dimensionen bis $d=16$ (bis zu 4 Qubits pro Seite) wird eine hochsignifikante Verletzung der LHV-Modelle (Local Hidden Variable) beobachtet (extrem kleine p-Werte).
• Überlegenheit gegenüber $d=2$: Für Subsysteme mit 2 bis 5 Qubits pro Seite übersteigt die Stärke der beobachteten Nichtlokalität den maximal möglichen Quantenwert für reine Zwei-Qubit-Systeme ($d=2$). Dies ist ein direkter Beweis für die Relevanz der hohen Dimensionen.
• Skalierbarkeit durch DQFT: Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass die dynamische Implementierung (DQFT) in Kombination mit DD und EM wesentlich höhere Dimensionen ($d=64$) ermöglicht als die rein unitäre QFT-Implementierung, welche bereits bei kleineren Systemen aufgrund der Schaltkreistiefe stark degradiert.

5. Signifikanz

Die Arbeit schließt eine Lücke zwischen der theoretischen Vorhersage komplexer Quantenkorrelationen und der experimentellen Realisierbarkeit auf moderner Hardware. Sie demonstriert, dass supraleitende Prozessoren nicht nur Werkzeuge für die Quantenberechnung sind, sondern auch als hochpräzise Instrumente zur Zertifizierung von Vielteilchen-Verschränkung dienen können. Die Ergebnisse zeigen, dass die beobachtete Nichtlokalität robust gegenüber Rauschen ist (sie nimmt nur linear statt exponentiell ab) und bieten einen neuen Benchmark für die Leistungsfähigkeit von Quantencomputern in großen Hilbert-Räumen.