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Demonstration of tripartite cat states in two distinct classes of entanglement

Diese Arbeit berichtet über die experimentelle Realisierung und Charakterisierung makroskopischer tripartiter verschränkter Katzenzustände, die zwei unterschiedlichen Klassen, GHZ-Katze und W-Katze, angehören, über drei Mikrowellenresonatoren, die an ein supraleitendes Transmon gekoppelt sind, wobei Fidelitäten von 0,83 bzw. 0,70 erreicht und deren grundlegend unterschiedliche Verschränkungsstrukturen validiert wurden.

Ursprüngliche Autoren: May Chee Loke, Jonathan Schwinger, Kehui Yu, Yingshan Zhang, Amon M. Kasper, Tanjung Krisnanda, Yvonne Y. Gao

Veröffentlicht 2026-07-15

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CC BY 4.0

Ursprüngliche Autoren: May Chee Loke, Jonathan Schwinger, Kehui Yu, Yingshan Zhang, Amon M. Kasper, Tanjung Krisnanda, Yvonne Y. Gao

Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen

Stellen Sie sich vor, Sie hätten drei magische Pendel, die in einem Raum schwingen. In der Quantenwelt schwingen diese nicht einfach nur vor und zurück; sie können an zwei Orten gleichzeitig sein, so wie ein Pendel gleichzeitig nach links und nach rechts schwingen kann. Dies wird als „Katzen-Zustand“ bezeichnet, benannt nach einem berühmten Gedankenexperiment, bei dem eine Katze gleichzeitig lebendig und tot ist.

Wissenschaftler sind es schon lange gelungen, zwei dieser Pendel miteinander zu koppeln, sodass sie in perfekter Synchronität schwingen (bipartite Verschränkung). Aber drei zu koppeln? Und das auch noch mit „makroskopischen“ (großen, sichtbaren) Pendeln? Das war eine riesige Herausforderung.

In dieser neuen Studie hat ein Forscherteam der National University of Singapore erfolgreich zwei sehr unterschiedliche Arten von drei-Pendel-Verbindungen mithilfe eines speziellen Mikrowellenschaltkreises erzeugt und gemessen. Sie haben die Zustände nicht nur erraten; sie haben die Zustände aufgebaut, sie gemessen und bewiesen, dass sie real sind.

Die zwei Arten von Quanten-Teamwork

Die Forscher erzeugten zwei verschiedene „Teams“ aus drei Pendeln, die sie GHZ-Kat und W-Kat nennen. Denken Sie an zwei verschiedene Wege, wie drei Freunde sich auf ein Geheimnis einigen können.

Die GHZ-Kat (Das „Alles-oder-Nichts“-Team):
Stellen Sie sich drei Freunde vor, die entscheiden, dass entweder alle aufspringen oder alle unten bleiben. Wenn man nur zwei von ihnen betrachtet, kann man nicht sagen, was sie tun; sie wirken völlig zufällig. Aber wenn man alle drei zusammen betrachtet, ist ihre Verbindung perfekt.
- Der Haken: Wenn man auch nur einen Freund verliert (oder wenn ein Pendel aufhört zu schwingen), verschwindet die Verbindung zwischen den verbleibenden zwei sofort. Sie werden zu Fremden.
- Das Ergebnis: Das Team erzeugte diesen Zustand mit einer Fidelity von 0,83 ± 0,02. Fidelity ist wie eine Note in einer Prüfung; 1,0 ist perfekt. Diese Punktzahl ist hoch genug, um zu beweisen, dass sie wirklich eine „echte“ Drei-Wege-Verschränkung erzeugt haben, bei der das Ganze größer ist als die Summe seiner Teile.
Die W-Kat (Das „Resiliente“ Team):
Nun stellen Sie sich eine andere Gruppe von drei Freunden vor. Wenn einer den Raum verlässt, haben die anderen beiden immer noch einen geheimen Handschlag zwischen sich. Sie sind robuster.
- Der Haken: Dieser Zustand ist schwieriger perfekt herzustellen.
- Das Ergebnis: Das Team erzeugte diesen Zustand mit einer Fidelity von 0,70 ± 0,02. Obwohl dies etwas niedriger ist als der GHZ-Wert, ist er immer noch hoch genug, um zu beweisen, dass es sich um eine echte Drei-Wege-Verschränkung handelt. Entscheidend ist, dass sie zeigten, dass selbst wenn man ein Pendel „ausspart“ (ignoriert), die anderen zwei immer noch eine Verbindung teilen. Tatsächlich behielt die W-Kat 64 % ihrer idealen Zwei-Pendel-Verbindung nach dem Verlust eines Pendels bei.

Wie sie es geschafft haben: Der „Eins-zu-Alle“-Zaubertrick

Um diese Zustände zu erzeugen, nutzten sie einen winzigen supraleitenden Chip (einen Transmon) als Leiter. Dieser Leiter besitzt drei Energieniveaus (wie ein Klavier mit drei Tasten: tief, mittel und hoch).

Sie verwendeten die tiefen und mittleren Tasten, um die erste Art von Zustand (GHZ) zu steuern.
Sie verwendeten alle drei Tasten, um den zweiten Typ (W) zu steuern, was einen cleveren neuen Trick namens „Uneven Echoed Conditional Displacement“ (UECD) erforderte. Dies ermöglichte es ihnen, die Pendel je nach der Taste, die der Leiter drückt, in unterschiedliche Richtungen zu bewegen, obwohl die Pendel unterschiedlich schnell reagierten.

Sie haben die Zustände nicht nur erraten. Sie nutzten eine Methode namens Subraum-Tomographie. Anstatt zu versuchen, das gesamte unendliche Universum der Möglichkeiten abzubilden (was ewig dauern würde), konzentrierten sie sich auf die spezifischen „logischen“ Orte, an denen die Pendel sein sollten. Es ist, als würde man prüfen, ob ein bestimmtes Lichtmuster an ist, anstatt jedes einzelne Photon im Raum zu messen.

Was sie ausgeschlossen haben

Die Arbeit argumentiert explizit gegen die Idee, dass diese Zustände nur chaotische Mischungen oder einfache Zwei-Wege-Verbindungen sind.

Sie bewiesen, dass die GHZ-Kat keine paarweise Verschränkung besitzt. Wenn man zwei Pendel allein überprüft, gibt es keinerlei Verbindung. Die Verschränkung ist ein striktes Drei-Wege-Phänomen.
Sie bewiesen, dass die W-Kat nicht einfach ein GHZ-Zustand ist. Sie hat eine andere Struktur, die es ihr ermöglicht, den Verlust eines Mitglieds zu überstehen.
Sie zeigten, dass es sich um makroskopische Zustände handelt. Die Pendel hatten eine Amplitude von $\alpha = 1,5$ , was groß genug ist, um im Quantenkontext als „makroskopisch“ zu gelten und die Lücke zwischen der winzigen Quantenwelt und der großen Welt, die wir sehen, zu schließen.

Wie sicher sind sie sich?

Das Team ist sehr zuversichtlich in seine Messungen, aber es ist auch ehrlich bezüglich der Grenzen.

Gemessen, nicht nur simuliert: Sie haben die Zustände physisch gebaut und gemessen. Die Zahlen 0,83 ± 0,02 und 0,70 ± 0,02 sind experimentelle Ergebnisse, keine Computer-Vermutungen.
Verifiziert durch mehrere Tests: Sie haben nicht nur auf eine Sache geschaut. Sie überprüften die „Pauli-Operatoren“ (eine Reihe von 64 verschiedenen Messungen) und verletzten sogar die Mermin-Ungleichung (einen mathematischen Test für Quanten-Merkwürdigkeit) mit einem Wert von 2,7 ± 0,1, der höher ist als die Grenze von 2, die für Nicht-Quanten-Systeme zulässig ist.
Das „Aber“: Die Arbeit stellt fest, dass ihre Werte nicht perfekt waren, weil die Pendel über die Zeit Energie verloren (Photonenverlust). Die Oszillatoren hatten Kohärenzzeiten von 50–100 µs. Die Autoren schlagen vor, dass sie, wenn sie bessere Pendel mit Kohärenzzeiten von 1 ms bauen könnten, die Fidelity auf 0,93 ± 0,03 für GHZ und 0,88 ± 0,03 für W steigern könnten. Aber mit der aktuellen Hardware sind die Ergebnisse das, was sie sind: eine erfolgreiche, verifizierte Demonstration zweier distinkter Klassen von Drei-Wege-Quantenverschränkung.

Kurz gesagt: Sie haben nicht nur ein neues Spielzeug gefunden; sie haben einen neuen Spielplatz gebaut, auf dem drei Quantenobjekte auf zwei völlig unterschiedliche, bewiesene Arten zusammen tanzen können.

Technische Zusammenfassung: Demonstration von tripartiten Cat-Zuständen in zwei unterschiedlichen Klassen der Verschränkung

Problemstellung
Während bipartite Verschränkung gut etabliert ist, bleiben echte multipartite verschränkte Zustände im Bereich der makroskopischen kontinuierlicher Variablen (CV) weitgehend unzugänglich. Bestehende experimentelle Demonstrationen von multipartiter Verschränkung, wie GHZ- und W-Zustände, sind primär auf Systeme mit diskreten Variablen (DV) (z. B. gefangene Ionen, supraleitende Qubits) beschränkt. Die Ausweitung dieser Zustände auf das CV-Regime, insbesondere auf makroskopische Skalen, ist aufgrund der Notwendigkeit langer Kohärenzzeiten und präziser nichtlokaler Kontrolle über Vielteilchen-Wechselwirkungen in einem großen Hilbert-Raum eine Herausforderung. Darüber hinaus umfasst die Landschaft der tripartiten Verschränkung zwei inäquivalente Klassen – GHZ-Typ (ohne paarweise Verschränkung) und W-Typ (behält residuelle bipartite Verschränkung bei) – welche unterschiedliche physikalische Eigenschaften und Anwendungen aufweisen. Die Erzeugung und Charakterisierung beider Klassen in einer einzigen makroskopischen CV-Plattform wurde bisher nicht realisiert.

Methodik
Die Autoren haben experimentell makroskopische tripartite verschränkte „Cat“-Zustände realisiert, die in drei harmonischen Oszillatoren (Mikrowellenresonatoren) kodiert sind, welche an einen einzelnen anomalen supraleitenden Transmon gekoppelt sind. Die Hardware besteht aus drei Tantal-Haarnadel-Resonatoren (Alice, Bob und Charlie), die oberhalb und unterhalb eines zentralen Chips angeordnet sind, der den Transmon, den Auslese-Resonator und den Purcell-Filter beherbergt.

Zur Erzeugung der Zustände entwickelte das Team eine „One-to-All“-bedingte Kontrollstrategie unter Nutzung der Energieniveaus des Transmons:

GHZ-Cat-Erzeugung: Der GHZ-Cat-Zustand, definiert als $|GHZ_{cat}\rangle \propto |\alpha, \alpha, \alpha\rangle + |-\alpha, -\alpha, -\alpha\rangle$ , wurde unter Verwendung eines Echoed Conditional Displacement (ECD) Gates erzeugt. Dieses Gate verschränkt die drei Oszillatoren mit dem Grundzustand ( $|g\rangle$ ) und dem angeregten Zustand ( $|e\rangle$ ) des Transmons. Durch Präparation des Transmons in einer Superposition, Anwendung eines Drei-Moden-ECD-Gates und Post-Selektion auf den Transmon-Zustand $|g\rangle$ wird der Ziel-GHZ-Cat-Zustand erhalten.
W-Cat-Erzeugung: Der W-Cat-Zustand, definiert als $|W_{cat}\rangle \propto |\alpha, -\alpha, -\alpha\rangle + |-\alpha, \alpha, -\alpha\rangle + |-\alpha, -\alpha, \alpha\rangle$ , erfordert die Abbildung von drei Superpositionskomponenten auf drei distinkte Transmon-Niveaus ( $|g\rangle, |e\rangle, |f\rangle$ ). Da Standard-ECD-Gates nur im $g-e$ -Subraum operieren, entwickelten die Autoren ein „Uneven Echoed Conditional Displacement“ (UECD) Gate. Dieses Gate operiert im $g-f$ -Subraum und lässt die $|e\rangle$ -Komponente ungestört, wobei es asymmetrische dispersive Verschiebungen durch optimierte Pulsparameter kompensiert.
Zustandscharakterisierung: Anstatt einer vollständigen Zustands-Tomographie, die für Multimoden-CV-Systeme ressourcenintensiv ist, verwendeten die Autoren ein effizientes Subraum-Tomographie-Protokoll. Sie bildeten die Erwartungswerte von 64 Pauli-Operatoren (wobei $|\alpha\rangle$ und $|-\alpha\rangle$ als logische Qubit-Zustände behandelt werden) auf spezifische Punkte der gemeinsamen charakteristischen Funktion (CF) ab. Dies reduzierte die Messanforderung von ca. $10^5$ Punkten auf 172 eindeutige CF-Punkte.

Wichtigste Ergebnisse

Zustands-Fidelität: Das Experiment erreichte Fidelitäten von $0,83 \pm 0,02$ für den GHZ-Cat-Zustand und $0,70 \pm 0,02$ für den W-Cat-Zustand (nach Tomographie-Fehlerkorrektur). Beide Werte liegen über den theoretischen Schwellenwerten, die zur Zertifizierung echter multipartiter Verschränkung (GME) für ihre jeweiligen Klassen erforderlich sind ($0,75$ für GHZ und $2/3$ für W).
Verifizierung der Verschränkung:
- GHZ-Cat: Der Zustand verletzte die Mermin-Ungleichung ( $M_s = 2,7 \pm 0,1$ ), was Nichtlokalität und GME bestätigt. Entscheidend ist, dass die reduzierten Dichtematrizen zweier beliebiger Modi keine Verschränkung zeigten, was konsistent mit der GHZ-Klasse ist.
- W-Cat: Der Zustand behielt bipartite Verschränkung bei. Nach dem Herausrechnen (Tracing out) eines Modus wies der verbleibende Zwei-Moden-Zustand eine Negativität von $0,13 \pm 0,01$ auf, was 64 % des idealen Wertes entspricht, was die Struktur der W-Klasse bestätigt.
Fehleranalyse: Die primäre Limitierung der Fidelität wurde als Photonenverlust in den Oszillatoren identifiziert, welcher den Zerfall der Kohärenz in der Superposition kohärenter Zustände verursacht. Die Autoren entwickelten ein Kontrollexperiment (Drei-Moden „Cat-and-Back“), um diese Dekohärenzfaktoren unabhängig zu kalibrieren, was eine genaue Fehlerkorrektur der gemessenen Pauli-Operatoren ermöglichte.

Bedeutung und Ansprüche
Das Paper beansprucht, die erste experimentelle Synthese und Charakterisierung von zwei unterschiedlichen Klassen makroskopischer tripartiter verschränkter Zustände (GHZ-Cat und W-Cat) innerhalb einer einzigen Continuous-Variable-Hardwareplattform bereitzustellen. Die Arbeit demonstriert eine skalierbare Methode zur Erzeugung inäquivalenter Klassen von multipartiter CV-Verschränkung mittels One-to-All-bedingter Kontrollen.

Die Autoren positionieren diese Errungenschaft als bedeutenden Schritt in Richtung:

Fehlertolerante Quantenverarbeitung: Bereitstellung eines Testbeds für multipartite Bosonen-Codes zur Quantenfehlerkorrektur.
Fundamentale Physik: Ermöglichung von Studien zur Struktur der Verschränkung, ihrer Robustheit gegenüber Teilchenverlust und dem Quanten-Klassik-Übergang in makroskopischen Systemen.
Hardware-Fortschritt: Demonstration der Fähigkeit von Bosonen-cQED-Architekturen, komplexe, nichtlokale Kontrolle über mehrere Modi auszuüben, ohne dass eine strikte Hardware-Anpassung der Kopplungsstärken erforderlich ist.

Die Autoren bleiben hinsichtlich der aktuellen Fidelitätslimits bescheiden und führen diese auf die spezifischen Kohärenzzeiten ihrer Tantal-Resonatoren ( $50-100 \mu s$ ) zurück. Sie merken an, dass theoretische Analysen nahelegen, dass mit State-of-the-Art Resonator-Lebensdauern ($1 ms$) und verbesserter Transmon-Kohärenz die Fidelitäten $0,93$ und $0,88$ für GHZ- bzw. W-Zustände erreichen könnten. Die Arbeit wird als fundamentale Demonstration präsentiert und nicht als vollständig fehlertolerantes System, sondern als wertvoller Testbed für zukünftige Untersuchungen zur makroskopischen Vielteilchen-Verschränkung.

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