Multi-copy and Catalytic Superactivation of Genuine Multipartite Nonlocality

In der seltsamen Welt der Quantenphysik können Teilchen auf eine Weise miteinander verknüpft werden, die unserem alltäglichen Verständnis davon, wie das Universum funktioniert, trotzt. Wenn zwei oder mehr Teilchen verschränkt sind, beeinflusst eine Messung an einem Teilchen augenblicklich die anderen, ungeachtet dessen, wie weit sie voneinander entfernt sind. Dieses Phänomen, bekannt als Nichtlokalität, stellt die klassische Vorstellung infrage, dass Objekte nur durch ihre unmittelbare Umgebung beeinflusst werden können. Während Wissenschaftler schon lange untersuchen, wie Paare von Teilchen diese „spukhaften“ Verbindungen teilen können, ist das Verhalten von drei oder mehr Teilchen zusammen weitaus komplexer. In diesen größeren Gruppen suchen Forscher nach einer spezifischen, kraftvollen Art der Verbindung, der sogenannten echten multipartiten Nichtlokalität. Dies ist die stärkste Form der Quantenverbindung, bei der die gesamte Gruppe als eine einzige, unzertrennliche Einheit agiert, anstatt nur aus einer Sammlung kleinerer Paare zu bestehen, die zusammenarbeiten. Das Verständnis dieser tiefen Ebene der Verbindung ist entscheidend für zukünftige Technologien wie die ultrasichere Kommunikation und das fortschrittliche Computing, da sie eine Ressource darstellt, die nicht in einfachere Teile zerlegt werden kann.

Jahrelang haben sich Wissenschaftler auf eine spezifische Definition verlassen, um zu identifizieren, wann eine Gruppe von Teilchen tatsächlich diese echte Verbindung teilt. Diese Definition fungiert als Test: Wenn das Verhalten der Gruppe dadurch erklärt werden kann, dass man die Mitglieder in zwei kleinere Teams aufteilt, die nur innerhalb ihrer eigenen Teams kommunizieren, gilt die Gruppe nicht als echt verbunden. Doch eine neue Studie von Forschern der Universität Genf und der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (Télécom Paris) legt nahe, dass dieser weitgehend akzeptierte Test fehlerhaft sein könnte. Sie entdeckten eine überraschende Lücke, in der eine Gruppe, die lediglich wie eine Sammlung kleinerer, schwächerer Verbindungen erscheint, unter den richtigen Bedingungen in eine Gruppe mit der stärksten möglichen Verbindung transformiert werden kann. Diese Transformation geschieht nicht durch das Hinzufügen neuer Teilchen oder die Änderung der physikalischen Gesetze, sondern schlicht durch die Kombination mehrerer Kopien derselben schwachen Gruppe und der gemeinsamen Verarbeitung ihrer Ergebnisse mittels rein lokaler, klassischer Schritte.

Die Forscher demonstrierten diesen Effekt zuerst mit einem theoretischen Modell, das die Grenzen dessen, was in der Physik möglich ist, sogar über die Quantenmechanik hinaus verschiebt. Sie stellten sich drei Beobachter vor, von denen jeder ein Gerät besitzt, das basierend auf Eingaben zufällige Ausgaben erzeugt. Die Geräte wurden einzeln so konzipiert, dass sie „biseparabel“ sind, was bedeutet, dass ihr Verhalten dadurch erklärt werden kann, dass zwei der Beobachter zusammenarbeiten, während der dritte isoliert bleibt. Das Team nahm dann zwei Kopien genau dieses Aufbaus und ließ jeden Beobachter die Ergebnisse aus beiden Kopien unter Anwendung einfacher, lokaler Regeln kombinieren. Erstaunlicherweise konnte die endgültige kombinierte Ausgabe nicht mehr durch irgendeine Aufteilung in zwei Gruppen erklärt werden. Der Akt des Zusammenfügens der beiden Kopien hatte eine neue, stärkere Verbindung geschaffen, die in den ursprünglichen Einzelteilen nicht existierte. Dieser Prozess, den die Autoren als Superaktivierung bezeichnen, zeigte, dass die Standarddefinition der echten Verbindung nicht stabil ist; sie kann allein dadurch gebrochen werden, dass man mehrere Kopien desselben Objekts gleichzeitig betrachtet.

Um sicherzustellen, dass dies nicht nur ein mathematischer Trick war, gingen die Forscher weiter und konstruierten Beispiele unter Verwendung realer Quantensysteme. Sie erstellten eine Familie von Quantenzuständen für jede Anzahl von Teilnehmern, von drei bis hin zu einer beliebig großen Gruppe. In diesen Szenarien wurde der Ausgangszustand sorgfältig so gestaltet, dass er separierbar erschien, wobei die stärksten Verbindungen nur zwischen Paaren von Personen bestanden, während der Rest unabhängig blieb. Dennoch, als die Forscher eine spezifische lokale Verarbeitungsmethode auf zwei Kopien dieses Zustands anwandten, ergab die Kombination dieser beiden Kopien einen neuen Zustand, der echte multipartite Nichtlokalität aufwies. Dies bewies, dass das Phänomen nicht auf theoretische Modelle beschränkt ist, sondern ein reales Merkmal der Quantenmechanik darstellt. Der Schlüssel lag darin, dass die Beobachter nur lokale Operationen verwendeten, was bedeutete, dass sie keine Signale aneinander senden oder komplexe gemeinsame Messungen durchführen mussten; sie verarbeiteten lediglich ihre eigenen Daten in einer bestimmten Sequenz.

Der vielleicht beeindruckendste Befund war, dass diese Aktivierung selbst mit einer einzigen Kopie der Ressource stattfinden kann, sofern sie durch einen „Katalysator“ unterstützt wird. In der Chemie ist ein Katalysator eine Substanz, die eine Reaktion beschleunigt, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Hier zeigten die Forscher, dass eine einzelne Kopie einer schwach verbundenen Gruppe in eine stark verbundene Gruppe transformiert werden kann, wenn sie zusätzlich Zugang zu einer zweiten, helfenden Verteilung hat. Dieser Helfer, der ebenfalls eine schwach verbundene Gruppe war, wurde während des Prozesses verwendet, kehrte jedoch am Ende in seinen ursprünglichen Zustand zurück, völlig unverändert. Die Transformation erfolgte, weil die lokalen Operationen eine temporäre Verbindung zwischen der Zielgruppe und dem Helfer schufen, die es der Zielgruppe ermöglichte, ihr volles Potenzial auszuschöpfen. Dieses Ergebnis stellt die Vorstellung infrage, dass eine Ressource allein durch ihren Anfangszustand definiert ist, und legt nahe, dass der Kontext und die Werkzeuge zur Verarbeitung ebenso wichtig sind wie der Zustand selbst.

Diese Erkenntnisse werfen ernsthafte Fragen darüber auf, wie wir die leistungsfähigsten Formen der Quantenverbindung derzeit definieren und messen. Wenn eine Definition der echten Nichtlokalität einfach dadurch umgangen werden kann, dass man Kopien kombiniert oder einen Helfer verwendet, dann ist diese Definition möglicherweise kein zuverlässiges Maß für den wahren Wert der Ressource. Die Forscher argumentieren, dass eine Definition für die praktische Anwendung stabil sein muss: Eine Ressource, die als schwach gilt, sollte auch dann noch schwach bleiben, wenn man viele Kopien von ihr besitzt. Die Tatsache, dass dies nicht der Fall ist, deutet darauf hin, dass der aktuelle Standard unvollständig ist. Das Paper weist den Weg zu einer neuen Denkweise, die von der Netzwerktheorie inspiriert ist, in der Verbindungen durch die spezifische Struktur definiert werden, wie Quellen die Teilnehmer miteinander verknüpfen. Eine solche Definition würde natürlich gegen diese Aktivierungs-Tricks resistent sein und somit ein robusteres Fundament für zukünftige Quantentechnologien bieten. Bis ein solcher neuer Standard übernommen wird, bleibt die wahre Natur dieser tiefen Quantenverbindungen etwas mysteriöser, als wir dachten.