Seit mehr als 60 Jahren gilt das ‚Bellsche Theorem‘ als Goldstandard, um zu zeigen, dass die Quantenmechanik den Regeln der klassischen Physik widerspricht. Ein internationales Forschungsteam, darunter Prof. Dr. Nicolas Gisin von der Constructor University in Bremen, hat dieses Prinzip nun erweitert. Mithilfe eines sogenannten ‚eleganten Dreiecks‘ konnten die Forschenden neue Formen der Quanten-Nichtlokalität in Netzwerken mit mehreren Knotenpunkten aufdecken. Die Studie veröffentlichte das Team in der renommierten Fachzeitschrift Physical Review Letters. Sie erweitere das Verständnis darüber, wie sich Quantenkorrelationen in realistischen Netzwerkumgebungen verhalten, und könnte so den Weg in das Zeitalter des Quanteninternets ebnen, heißt es in einer Pressemitteilung der Constructor University.
„Dies ist nicht einfach eine kompliziertere Version des Bellschen Theorems, die auf Netzwerke angewandt wurde; es ist etwas völlig Neues, das erst dann entsteht, wenn mehrere unabhängige Quantenquellen durch verschränkte Messungen interagieren“, erklärt Gisin, der bei dem Experiment mit Forschenden aus China, Frankreich und Österreich zusammenarbeitete.
Das Bellsche Theorem, das 2022 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde, bewies, dass ein Paar verschränkter Teilchen, die über eine große Distanz voneinander getrennt sind und zufällig gemessen werden, irgendwie verbunden bleiben können. Wie die Forschenden erläutern, weisen sie Korrelationen auf, die über das hinausgehen, was jede klassische Physiktheorie erklären kann. Dieses Phänomen wird als Quanten-Nichtlokalität bezeichnet.
Jenseits des Bell-Theorems
Wie die Forschenden erklären, beinhalten Bell-Tests normalerweise nur eine einzige Quelle, die verschränkte Teilchen an zwei Beobachter verteilt. Diese wählen wiederum zufällig eine von mehreren möglichen Messungen aus. Das neueste Experiment von Gisin erweiterte dieses Paradigma, indem es die Nichtlokalität in einem Quantennetzwerk untersuchte, das aus mehreren unabhängigen Quellen und miteinander verbundenen Knotenpunkten besteht. Konkret nutzte das Experiment ein ‚Dreiecksnetzwerk‘ bei dem drei Beobachter als Knotenpunkte fungierten. Diese verbanden drei separate Quellen verschränkter Teilchen, welche zwischen ihnen in einer Dreiecksformation verteilt waren. Die Beobachter führten dann feste Quantenmessungen durch, wodurch die zufällige Auswahl der Messung vollständig entfiel.
Diese scheinbar minimalen Änderungen führten eine tiefgreifende neue Ebene der Komplexität ein, die die Forschenden mit dem Übergang von einer zweidiemnsionalen zu einer dreidimensionalen Welt vergleichen. Anstatt einer einzigen gemeinsamen Quelle maß jeder Beobachter Teilchen aus zwei unabhängigen Quellen, wodurch ein komplexeres Geflecht von Beziehungen entstand. Das Ergebnis: Auch in dieser verteilten Konfiguration mit mehreren Quellen und ohne Zufallsmessungen wurden Korrelationen zwischen allen drei Quellen beobachtet, die allen klassischen Physikmodellen widersprechen. Die Ergebnisse belegen den Forschenden zufolge eine eigenständige Form der Netzwerk-Nichtlokalität namens ‚echte Quantennetzwerk-Nichtlokalität‘ (genuine quantum network nonlocality). Diese gehe aus der Netzwerkstruktur selbst hervor und könne nicht auf ein standardmäßiges Zwei-Teilchen-Bell-Szenario reduziert werden.
Die ‚elegante Verteilung‘
Um dies zu erreichen, erzeugte das Team die sogenannte ‚elegante Verteilung‘ (elegant distribution) – ein spezifisches Korrelationsmuster, von dem vorhergesagt wurde, dass es dieses netzwerkabhängige Verhalten aufweist. Mithilfe von Techniken des maschinellen Lernens und ausgefeilter mathematischer Analysen konnten die Forscherenden zeigen, dass diese Korrelationen durch kein klassisches Modell reproduziert werden können, selbst dann nicht, wenn dieses komplexe Muster verborgener Variablen zulässt, die innerhalb des Dreiecksnetzwerks geteilt werden.
„Die elegante Verteilung ist in besonderem Maße charakteristisch für das Dreiecksnetzwerk“, erklärt Professor Gisin. „Dies lässt sich nicht auf Standard-Bell-Tests reduzieren, die lediglich in einen komplexeren Aufbau eingebettet sind. Es demonstriert ein Quantenverhalten, das ein reines Netzwerkphänomen darstellt.“
Mit Relevanz für das Quanteninternet
Den Beteiligten zufolge legen die Ergebnisse nahe, dass Quanten-Nichtlokalität nicht auf idealisierte Laborumgebungen beschränkt ist, sondern sich auf jene komplexen, realistischen Netzwerkstrukturen erstreckt, die künftigen Quantentechnologien zugrunde liegen könnten. Dies sei besonders relevant für die Entwicklung groß angelegter Quantennetzwerke, die darauf abzielen, Quantengeräte über Distanzen hinweg zu verbinden (‚Quanteninternet‘).
