Kürzlich gelang es einem Forschungsteam unter der Leitung von Feng Mang vom Institut für Präzisionsmesstechnologie und Innovationsforschung der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Zusammenarbeit mit der Universität Zhengzhou und anderen Einrichtungen, erstmals eine Quantenverschränkungsbeschleunigung in einem nicht-hermiteschen System auf einer Ionenfallenplattform zu realisieren und damit die traditionelle hermitesche Quantengeschwindigkeitsgrenze zu übertreffen. Die Verschränkungspräparationsgeschwindigkeit wurde auf das 1,52-fache des ursprünglichen Schemas gesteigert. Die entsprechenden Ergebnisse wurden am 28. Mai online in Physical Review Letters veröffentlicht.

Quantenverschränkung ist eine zentrale Ressource in der Quantenberechnung, Quantenkommunikation und Quantensensorik. Hochleistungsfähige Quantenchips müssen für komplexe Berechnungen schnell und stabil Verschränkungsbeziehungen zwischen Qubits herstellen; Quantenkommunikation ist für die sichere Informationsübertragung auf Verschränkung angewiesen; Quantensensorik nutzt Verschränkung, um die Messempfindlichkeit zu erhöhen. Lange Zeit war die Geschwindigkeit der Verschränkungserzeugung in traditionellen hermiteschen Quantensystemen durch die Kopplungsstärke zwischen den Qubits begrenzt. Je stärker die Kopplung, desto schneller kann die Verschränkung präpariert werden, aber die Laserleistung, Ionenbewegungsmoden, Dekohärenz und Kontrollgenauigkeit im experimentellen System bilden praktische Einschränkungen. Daher war die Frage „Kann die Verschränkungserzeugung beschleunigt werden, ohne die kohärente Kopplungsstärke zu erhöhen?" stets ein wichtiges Problem im Bereich der Quantenkontrolle.

Der von dieser Studie aufgezeigte Weg nutzt kontrollierbare Dissipation und Exceptional-Point-Effekte in nicht-hermiteschen Systemen. Normalerweise wird Dissipation als nachteiliger Faktor angesehen, der die Quantenkohärenz zerstört, da sie zu Quantenzustandsleckage, Dekohärenz oder einer verringerten Erfolgswahrscheinlichkeit führt. Das Forschungsteam vermied die Dissipation nicht einfach, sondern regulierte sie im Experiment zu einer gestaltbaren Ressource, sodass die Systemparameter sich den Exceptional Points des nicht-hermiteschen Systems annäherten. Unter dieser Bedingung ändert sich die geometrische Struktur des Hilbert-Raums, der Evolutionspfad des Quantenzustands wird komprimiert, und der Verschränkungserzeugungsprozess erhält einen „Abkürzungseffekt".

Die experimentelle Plattform verwendete zwei Calcium-Ionen in einer linearen Paul-Falle, wobei die Qubits in den Grundzustands- und metastabilen Energieniveaus der Ionen kodiert wurden. Das Forschungsteam nutzte einen 729-Nanometer-Laser, um kohärente Qubit-Übergänge anzutreiben, und führte über einen 854-Nanometer-Laser einen einstellbaren Dissipationskanal ein. Gleichzeitig wurde ein zweifarbiges Laserfeld verwendet, um eine effektive Wechselwirkung zwischen den beiden Ionen zu erzeugen. Bei ausschließlich kohärenter Wechselwirkung betrug die Kopplungsstärke J = 2π × 625 Hertz, was einer Gatterzeit für die Bell-Zustandspräparation von 200 Mikrosekunden entspricht. Bei fester kohärenter Kopplungsstärke wurde der nicht-hermitesche Parameter schrittweise angepasst, wodurch die Verschränkungspräparationszeit auf 177 Mikrosekunden, 155 Mikrosekunden und 132 Mikrosekunden verkürzt wurde. Das schnellste Schema war etwa 1,52-mal schneller als das traditionelle hermitesche Schema.

Der wissenschaftlich-technologische Wert dieser Errungenschaft liegt darin, die nicht-hermitesche Physik von einem theoretischen Beschleunigungsmechanismus zu einem experimentellen Quanteninformationsprozess in Ionenfallen voranzutreiben. Ionenfallensysteme zeichnen sich durch hohe Kohärenz und Kontrollierbarkeit aus und sind eine wichtige Plattform für Quantenberechnung und Präzisionsmessung; nicht-hermitesche Systeme bieten eine neue Kontrolldimension für die Evolution von Quantenzuständen. Durch die Kombination beider können Forscher schnellere Quantengatter, Verschränkungspräparation und Zustandskontrollmethoden erforschen, ohne die kohärente Kopplungsstärke einfach zu erhöhen. Für zukünftige Quantenberechnungen gilt: Je schneller die Quantengatter, desto größer die Chance, dass das System mehr Operationen vor dem Eintreten der Dekohärenz durchführen kann, was die Tiefe der Quantenschaltungen und die Zuverlässigkeit der Berechnungen verbessern könnte.

Das Experiment zeigte gleichzeitig die Kosten des Beschleunigungsmechanismus auf. Die nicht-hermitesche Beschleunigung beruht auf kontrollierbarer Dissipation. Je schneller die Verschränkung erzeugt wird, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass Besetzung in den Unterraum außerhalb des Rechenraums entweicht, was die Erfolgswahrscheinlichkeit entsprechend verringert. Dies bedeutet, dass diese Technologie nicht bedingungslos die Effizienz aller Quantenoperationen steigert, sondern ein neues Gleichgewicht zwischen Geschwindigkeit, Treue, Erfolgswahrscheinlichkeit und Systemstabilität sucht. Nachfolgende Forschungen müssen die nicht-hermiteschen Parameter, Dissipationskanäle, Auslesemethoden und Fehlerkompensationsmechanismen weiter optimieren, um zu beurteilen, ob diese Beschleunigungsmethode auf mehr Qubits, komplexere Quantengatter und programmierbare Quantenprozessorszenarien ausgeweitet werden kann.

Aus industrieller und wissenschaftlicher Anwendungsperspektive wird die Quantenverschränkungsbeschleunigung nicht sofort in kommerzielle Quantencomputer umgesetzt, aber sie bietet eine neue experimentelle Richtung für die hochwertige Quantenkontrolle. Quantenberechnung, Quantenkommunikation und Quantensensorik sind alle auf stabile und kontrollierbare Verschränkungsressourcen angewiesen. Jede Technologie, die die Präparationszeit verkürzen und die Kontrollpfade erweitern kann, könnte eine grundlegende Unterstützung für die zukünftige Integration von Quantensystemen bieten. Die Realisierung der Verschränkungsbeschleunigung in nicht-hermiteschen Ionenfallensystemen durch das chinesische Forschungsteam zeigt, dass kontrollierbare Dissipation nicht mehr nur ein zu unterdrückender Störfaktor ist, sondern auch ein effektives Werkzeug zur Gestaltung schnellerer Quantenevolutionsprozesse sein kann. Mit der weiteren Verifizierung der relevanten Mechanismen wird die nicht-hermitesche Quantenkontrolle voraussichtlich eine größere Rolle bei hochtreuen Quantengattern, der Präparation komplexer verschränkter Zustände und der Quantenpräzisionsmessung spielen.