Wissenschaftler haben herausgefunden, wie man eine Quanten-"Katze" finden kann, ohne sie zu verscheuchen

Forscher der Universität von New South Wales haben eine Erklärung mit Hilfe einer Katze und Schachteln gefunden. Stellen Sie sich einen dunklen Raum mit acht identischen Kisten vor. In einer von ihnen sitzt eine Katze. Sie müssen herausfinden, wo sie sich versteckt hat, aber wenn Sie zu hartnäckig nachschauen, bekommt die Katze Angst und springt an einen anderen Ort.

In dem echten Experiment gab es natürlich keine Katze. Seine Rolle spielte ein fragiler Quantenzustand des Kerns des Antimonatoms im Siliziumchip. Die neue Methode ermöglichte es, diesen Zustand genauer zu bestimmen und ihn gleichzeitig weniger zu stören. Die Arbeit ist in PRX Quantum veröffentlicht.

Details

Die übliche Methode, um eine Katze zu finden, würde so aussehen: Schütten Sie nacheinander Wasser auf jede Kiste und lauschen Sie, woher ein verärgertes "Miau" kommen würde. Aber der Raum ist laut. Sie können den Fehler machen, ein "Miau" zu hören, wo die Katze nicht ist, oder das echte Signal überhören.

Um die Sicherheit zu erhöhen, können Sie den Test immer wieder wiederholen. Aber das ist gefährlich: Je öfter Sie die Boxen stören, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Katze Angst bekommt und den Platz wechselt.

Das Quantensystem hat ein ähnliches Problem. Wissenschaftler müssen seinen Zustand messen, um zu sehen, ob es einen Fehler gibt. Aber die Messung selbst kann diesen Zustand beeinflussen. Mit anderen Worten: Der Test kann einen neuen Fehler verursachen.

Die neue Methode ist schwieriger. Nach dem ersten Signal "berühren" die Wissenschaftler die vermeintliche Katzenbox nicht immer und immer wieder. Stattdessen beginnen sie, die anderen Boxen zu überprüfen. Wenn es ruhig ist, war die erste Vermutung wahrscheinlich richtig.

Die Sache ist ganz einfach: Manchmal lassen sich Informationen aus der Abwesenheit eines Signals ableiten, nicht nur aus dem Signal selbst. Wenn alle anderen Boxen still sind, bestärkt das die Gewissheit, dass die Katze genau dort sitzt, wo sie zuerst gehört wurde.

In dem physikalischen Experiment waren die "Boxen" die acht möglichen Quantenzustände des Kerns eines Antimonatoms. Ein solches System nennt man ein Qubit: Im Gegensatz zum gewöhnlichen Qubit hat es nicht zwei Zustände, sondern mehr. Die Forscher arbeiteten mit einem achtdimensionalen Kern-Kudit in Silizium.

Sie verwendeten ein Elektron, um den Zustand zu überprüfen. Es konnte dem Atom hinzugefügt und entfernt werden, aber dieser Vorgang konnte den Kern stören und ihn in einen anderen Zustand zwingen. Das neue adaptive Protokoll reduzierte solche unnötigen Eingriffe: Nach dem ersten positiven Ergebnis ging das System dazu über, die anderen Zustände zu überprüfen.

Das Ergebnis war bemerkenswert. Die Lesegenauigkeit stieg von 98,93% auf 99,61%, und die Gesamtmesszeit wurde um etwa das Dreifache reduziert. Für den Durchschnittsleser scheint der Unterschied gering zu sein, aber für Quantencomputer ist er wichtig: Solche Überprüfungen müssen viele Male durchgeführt werden, und selbst Bruchteile eines Prozents können sich zu einem ernsthaften Problem summieren.

Warum das wichtig ist

Quantencomputer versprechen, Probleme zu lösen, die für herkömmliche Maschinen zu komplex sind: Modellierung von Molekülen, Suche nach neuen Materialien, Hilfe bei der Optimierung und bei komplexen Berechnungen. Aber sie haben einen großen Feind: Fehler.

Quanteninformationen sind sehr empfindlich. Sie kann durch Rauschen, Wärme, äußere Einflüsse und sogar durch das Messverfahren selbst gestört werden. Deshalb benötigen große Quantencomputer eine Fehlerkorrektur: Das System muss sich ständig selbst überprüfen und Fehler korrigieren.

Doch hier ergibt sich ein Paradoxon. Um einen Fehler zu korrigieren, muss er entdeckt werden. Und um ihn zu entdecken, müssen Sie das System messen. Und eine Messung kann alles ruinieren.

Dieser neue Ansatz trägt dazu bei, eine solche Überprüfung weicher zu gestalten. Er löst nicht alle Probleme von Quantencomputern auf einmal, aber er zeigt, wie Sie mehr nützliche Informationen erhalten und das System weniger stören können.

Hintergrund

Das Bild der Katze bezieht sich auf das berühmte Gedankenexperiment von Erwin Schrödinger. Darin wird eine Katze in einer geschlossenen Box mit einem Quantensystem verbunden und erscheint vor der Beobachtung wie in einem seltsamen Mischzustand. In der Populärkultur ist sie zu einem Symbol für die Fragilität und Fremdartigkeit von Quanten geworden.

In der neuen Studie ist die Katze nur eine Metapher. Sie hilft uns, die größte Herausforderung zu verstehen: Wie kann man das System testen, ohne das zu zerstören, was man zu lernen versucht.

Wissenschaftler nennen solche Überprüfungen Quanten-Nicht-Zerstörungsmessungen. Einfach ausgedrückt handelt es sich dabei um Messungen, die den Zustand des Systems anzeigen, es aber nicht zerstören sollen. In der Realität sind sie nicht immer perfekt, daher suchen Forscher nach Möglichkeiten, sie genauer zu machen.

Die Autoren betonen, dass ihr Ansatz möglicherweise nicht nur für ein bestimmtes System mit einem Antimonatom nützlich ist. Ähnliche Probleme treten bei verschiedenen Quantencomputerarchitekturen auf, so dass eine adaptive Messstrategie auch für andere Labore nützlich sein könnte.

Quelle

Forschung: Arjen Vaartjes et al, "Maximizing the Nondemolition Nature of a Quantum Measurement Via an Adaptive Readout Protocol", PRX Quantum, 2026.