Qubit-environment entanglement in pure dephasing dynamics for mixed initial states

Auf der Suche nach Maschinen, die Probleme lösen können, die jenseits der Reichweite heutiger Computer liegen, versuchen Wissenschaftler, die seltsamen Regeln der Quantenwelt zu nutzen. Das Herzstück dieser Maschinen sind winzige Informationseinheiten, die Qubits genannt werden. Im Gegensatz zu den Bits in einem Standardcomputer, die entweder Null oder Eins sind, kann ein Qubit gleichzeitig in einer empfindlichen Kombination beider Zustände existieren. Diese Fähigkeit ermöglicht es Quantencomputern, viele Möglichkeiten gleichzeitig zu erforschen. Diese delikate Phase ist jedoch unglaublich zerbrechlich. Wenn ein Qubit mit seiner Umgebung interagiert – sei es durch ein streuendes Magnetfeld, ein vibrierendes Atom oder die Hitze der Umgebung – beginnt es, seine besonderen Quanteneigenschaften zu verlieren. Dieser Prozess, bekannt als Dekohärenz, ist das primäre Hindernis, das zwischen der heutigen Technologie und leistungsstarken Quantencomputern steht.

Um zu verstehen, wie man diese Qubits schützen kann, müssen Forscher untersuchen, wie sie mit ihrer Umgebung verschränkt werden. Verschränkung ist ein Phänomen, bei dem zwei Objekte so tief miteinander verbunden werden, dass der Zustand des einen den anderen augenblicklich beeinflusst, egal wie weit sie voneinander entfernt sind. Im Kontext des Quantencomputings ist diese Verbindung oft ein Problem. Wenn ein Qubit auf unkontrollierte Weise mit der Umgebung verschränkt wird, fließt die Information, die es enthält, nach außen, und die Berechnung schlägt fehl. Jahrelang konnten Wissenschaftler genau vorhersagen, wann dies geschieht, aber nur unter einer spezifischen Bedingung: Sie gingen davon aus, dass das Qubit in einem perfekt reinen, idealen Zustand begann. In der realen Welt sind Qubits jedoch selten perfekt. Sie befinden sich oft in einem „gemischten“ Zustand, bereits leicht degradiert durch vorherige Interaktionen oder unvollkommene Vorbereitung. Es blieb die Frage: Ändert sich das Verhalten der Verschränkung, wenn das Qubit von vornherein nicht perfekt ist?

Einem Team von Forschern aus der Tschechischen Republik und Deutschland ist es nun gelungen, diese Frage zu beantworten, indem sie untersuchten, wie ein Qubit mit seiner Umgebung interagiert, wenn das Qubit in einem gemischten Zustand startet. Sie konzentrierten sich auf eine spezifische Art der Wechselwirkung, die als reine Dephasierung bezeichnet wird. In diesem Szenario tauscht die Umgebung keine Energie mit dem Qubit aus; stattdin verändert sie lediglich den Rhythmus des internen Taktes des Qubits. Dies ist ein häufiges Vorkommnis in Festkörper-Quantengeräten, wie etwa solchen aus Diamant. Durch die Zulassung des gemischten Zustands als Ausgangszustand des Qubits enthüllten die Forscher ein viel komplexeres und überraschenderes Bild davon, wie Verschränkung wächst und vergeht.

Die Studie zeigt, dass die Regeln, die für ideale, reine Qubits perfekt funktionierten, zusammenbrechen, wenn das Qubit gemischt ist. In der Vergangenheit wussten Wissenschaftler, dass wenn ein reines Qubit begann, sich mit der Umgebung zu verschränken, dies sofort geschah. Es gab keine Verzögerungen; in dem Moment, in dem die Interaktion begann, wurde die Verbindung hergestellt. Die Forscher fanden jedoch heraus, dass die Geschichte für gemischte Qubits anders ist. Oft bleiben das Qubit und seine Umgebung für eine gewisse Zeit völlig getrennt, obwohl die Wechselwirkung aktiv ist. Erst nach dieser ruhigen, separablen Phase tritt die Verschränkung plötzlich auf. Dieses Phänomen, bekannt als plötzliche Entstehung der Verschränkung (sudden birth of entanglement), galt in diesem Typ von System zuvor als unmöglich. Darüber hinaus kann Verschränkung, genau wie sie plötzlich auftauchen kann, auch ebenso schnell verschwinden und später wieder auftauchen. Dieser Zyklus aus plötzlichem Tod und plötzlicher Wiedergeburt der Quantenverbindung ist ein Verhalten, das bei reinen Qubits niemals vorkommt, wo die Verbindung, einmal hergestellt, dazu neigt, stetig fortzubestehen oder sanft abzuklingen, ohne diese scharfen Unterbrechungen.

Um diese Ideen zu testen, simulierten das Team ein realistisches Szenario unter Einbeziehung eines Stickstoff-Fehlstelle-Zentrums (Nitrogen-Vacancy Center) in einem Diamanten. Dies ist ein spezifischer Defekt im Kristallgitter eines Diamanten, der als Qubit fungiert. Sie modellierten, wie dieses Qubit mit einer spärlichen Umgebung aus Kernspins interagiert – winzigen magnetischen Momenten von benachbarten Atomen. Die Forscher nutzten zwei verschiedene Methoden, um die Verschränkung zu verfolgen. Eine Methode basierte auf einer Reihe mathematischer Prüfungen, die sich für reine Zustände bewährt hatten. Die andere Methode beinhaltete eine strengere Berechnung, die in der Lage war, die Verschränkung selbst dann zu detektieren, wenn die erste Methode versagte.

Die Ergebnisse zeigten, dass die ältere, einfachere Methode oft irreführend ist, wenn das Qubit gemischt ist. In mehreren Fällen deuteten die einfachen Prüfungen darauf hin, dass das Qubit und die Umgebung nicht verschränkt seien, während die strengere Berechnung zeigte, dass sie es doch waren. Diese Diskrepanz war besonders deutlich, wenn die Menge der Verschränkung gering war. Beispielsweise deuteten Simulationen mit einigen wenigen Kernspins darauf hin, dass das System sicher und separabel sei, während die strengere Methode offenbarte, dass die Verschränkung tatsächlich wiederholt geboren wurde und starb. Die Forscher fanden heraus, dass das System für einen einzelnen Umgebungspin in gewisser Weise vorhersagbar reagierte, aber als sie mehr Spins zur Umgebung hinzufügten, wurden die einfachen Prüfungen zunehmend unzuverlässiger. In einem spezifischen Fall mit fünf Umgebungspins übersah die einfache Methode die Verschränkung fast vollständig und markierte sie nur für einen winzigen Bruchteil der Zeit, während die strengere Methode zeigte, dass die Verschränkung nach einer anfänglichen Verzögerung kontinuierlich vorhanden war.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass die alten Kriterien zur Detektion von Verschränkung zwar immer noch als Warnsignal nützlich sind, sie aber kein vollständiger Leitfaden mehr sind. Wenn die Kriterien anzeigen, dass Verschränkung vorhanden ist, dann ist sie definitiv da. Wenn die Kriterien jedoch besagen, dass das System sicher ist, kann es dennoch verschränkt sein. Dies bedeutet, dass Wissenschaftler für gemischte Qubits, die die Realität für die meisten aktuellen Quantengeräte darstellen, sich nicht auf die alten Abkürzungen verlassen können, um das vollständige Bild zu verstehen. Sie müssen mächtigere Werkzeuge verwenden, um die subtilen, plötzlichen und oft verborgenen Wege zu sehen, auf denen Quanteninformationen in die Umgebung abfließen. Die Arbeit unterstreicht, dass der Weg zum Bau zuverlässiger Quantencomputer ein tieferes Verständnis dieser gemischten Zustände erfordert, in denen sich die Quantenwelt auf eine Weise verhält, die weit weniger vorhersehbar und weitaus dynamischer ist, als bisher angenommen wurde.