Forscher der Universität Stuttgart haben die theoretische Obergrenze der Effizienz einer Schlüsselkomponente der Quantentechnologie übertroffen. Das Team um Prof. Stefanie Barz verbesserte die Effizienz von Bell-Zustandsmessungen, die für Quantenverschränkung unerlässlich sind. Die Erfolgsrate ihrer Messungen erreichte 57,9 Prozent und übertraf damit das inhärente 50-Prozent-Limit bei Verwendung konventioneller optischer Elemente. Die Forscher erreichten dies, indem sie zwei zusätzliche Photonen neben den verschränkten Photonpaaren verwendeten. Mithilfe von 48 Einzelphotonendetektoren, die in nahezu perfekter Synchronie arbeiteten, konnten sie die Zustände von bis zu vier Photonen erfassen und zwischen zuvor ununterscheidbaren Zuständen unterscheiden. Die Effizienz kann durch Hinzufügen weiterer Hilfsphotonen weiter gesteigert werden, doch die Erfolgswahrscheinlichkeit bleibt aufgrund der Überlappung bestimmter Zustände unter 62,5 Prozent. Die Forscher arbeiteten zusammen mit Prof. Dr. Peter van Loock von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz. Dieser Effizienzdurchbruch bietet erhebliche Vorteile in Szenarien, in denen mehrere aufeinander folgende Messungen erforderlich sind, wie beispielsweise bei der Quantenkommunikation über lange Distanzen. Die Forschung wurde von verschiedenen Organisationen unterstützt, darunter die Carl-Zeiss-Stiftung, IQST und die Deutsche Forschungsgemeinschaft.

Einführung

Dieser Artikel beschäftigt sich mit den bahnbrechenden Forschungen an der Universität Stuttgart unter der Leitung von Prof. Stefanie Barz, die die theoretische Obergrenze der Effizienz einer wichtigen Komponente der Quantentechnologie übertroffen haben. Das Hauptaugenmerk dieser Forschung lag auf der Verbesserung der Effizienz von Bell-Zustandsmessungen, die eine entscheidende Rolle bei der Quantenverschränkung spielen.

Verständnis von Bell-Zustandsmessungen

In diesem Abschnitt werden wir uns mit dem Konzept der Bell-Zustandsmessungen und ihrer Bedeutung für die Quantenverschränkung befassen. Wir werden erklären, wie diese Messungen traditionell durchgeführt werden und warum es einen inhärenten Effizienzlimit von 50 Prozent bei der Verwendung herkömmlicher optischer Elemente gibt.

Traditionelle Bell-Zustandsmessungen

Bei traditionellen Bell-Zustandsmessungen ist die Effizienz auf 50 Prozent beschränkt, wenn herkömmliche optische Elemente verwendet werden. Wir werden auf die Gründe für diese Grenze eingehen und die Herausforderungen diskutieren, denen sich die Verbesserung der Effizienz dieser Messungen stellt.

Der Durchbruch in der Effizienz

In diesem Abschnitt werden wir die bahnbrechende Verbesserung der Effizienz von Bell-Zustandsmessungen diskutieren, die von den Forschern an der Universität Stuttgart erreicht wurde. Ihre Erfolgsquote erreichte beeindruckende 57,9 Prozent und übertraf damit das vorherige theoretische Limit. Wir werden die Methodik und Techniken erörtern, die von den Forschern eingesetzt wurden, um diesen Durchbruch zu erreichen.

Nutzung zusätzlicher Photonen

Eine der wichtigsten Strategien, die von den Forschern angewendet wurde, bestand darin, zwei zusätzliche Photonen neben den verschränkten Photonpaaren einzubeziehen. Wir werden besprechen, wie dieser Ansatz zur verbesserten Effizienz von Bell-Zustandsmessungen beitrug und welche Rolle diese zusätzlichen Photonen dabei spielten.

Anwendung von Einzelphotonendetektoren

Die Forscher verwendeten 48 Einzelphotonendetektoren in nahezu perfekter Synchronisation, um die Zustände von bis zu vier Photonern zu erfassen. Dieser Abschnitt wird auf die Bedeutung der Verwendung von Einzelphotonendetektoren eingehen und erläutern, wie ihre strategische Platzierung und Synchronisation zur verbesserten Effizienz der Messungen beitrugen.

Überwindung ununterscheidbarer Zustände

Durch ihre Methodik konnten die Forscher zwischen zuvor ununterscheidbaren Zuständen unterscheiden. Wir werden über die Implikationen dieser Leistung diskutieren und ihre Rolle bei der Erhöhung der Effizienz von Bell-Zustandsmessungen über die 50-Prozent-Grenze hinaus erörtern.

Einschränkungen und weitere Möglichkeiten

In diesem Abschnitt werden die Einschränkungen und Möglichkeiten im Zusammenhang mit der verbesserten Effizienz von Bell-Zustandsmessungen durch das Forschungsteam behandelt. Wir werden die Wahrscheinlichkeit erörtern, höhere Erfolgsraten mit zusätzlichen Hilfsphotonen zu erreichen, warum sie jedoch aufgrund der Überlappung bestimmter Zustände unter 62,5 Prozent bleiben.

Anwendung in der Quantenkommunikation

Dieser Abschnitt wird die praktischen Anwendungen der verbesserten Effizienz in Szenarien untersuchen, die mehrere aufeinanderfolgende Messungen erfordern, wie zum Beispiel die Quantenkommunikation über große Entfernungen. Wir werden die Vorteile diskutieren, die dieser Durchbruch bietet, und seine potenziellen Auswirkungen auf die Quantenkommunikationstechnologien.

Zusammenarbeit und Unterstützung

In diesem Abschnitt werden wir die Zusammenarbeit bei dieser Forschung hervorheben, insbesondere die Zusammenarbeit zwischen der Universität Stuttgart und der Johannes Gutenberg-Universität in Mainz, unter der Leitung von Prof. Dr. Peter van Loock. Wir werden auch die Unterstützung durch verschiedene Organisationen wie die Carl-Zeiss-Stiftung, IQST und die Deutsche Forschungsgemeinschaft erwähnen.

Schlussfolgerung

Zusammenfassend haben die Forscher an der Universität Stuttgart erfolgreich die theoretische Obergrenze der Effizienz bei Bell-Zustandsmessungen überschritten, einer wichtigen Komponente der Quantentechnologien. Ihre Erfolgsquote von 57,9 Prozent übertrifft die herkömmliche Grenze von 50 Prozent und hat bedeutende Auswirkungen auf die Quantenverschränkung und die Quantenkommunikation über große Entfernungen. Dieser Durchbruch eröffnet neue Möglichkeiten für weitere Fortschritte in der Quantentechnologie.

Quelle

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