Wissenschaftler lösen ein 25 Jahre altes Quantenrätsel

Die Quantenverschränkung bildet die Grundlage für fast alles, was Forscher derzeit im Bereich der Quantentechnologie zu entwickeln versuchen. Wenn Teilchen wie Photonen verschränkt sind, sind ihre Eigenschaften so miteinander verknüpft, dass man das eine nicht vollständig beschreiben kann, ohne das andere zu berücksichtigen – das System ergibt nur als Ganzes Sinn.

Es ist ein Thema, das Einstein beschäftigte, das aber auch die Grundlage für Quantencomputer, Quantenkommunikation und Quantenteleportation bildet.

Ein Problem, das sich über 25 Jahre hinweg entwickelt hat

Das Problem ist, dass die Erzeugung verschränkter Zustände nur die halbe Miete ist. Man muss auch genau feststellen können, um welche Art von Verschränkung es sich handelt. Bei einer wichtigen Art, dem sogenannten W-Zustand, war dies bisher noch niemandem gelungen. Tatsächlich ist dies seit mehr als 25 Jahren ein ungelöstes Problem.

Forscher der Universität Kyoto und der Universität Hiroshima geben jedoch an, einen Weg gefunden zu haben, dieses Problem zu umgehen. Indem sie sich auf eine bestimmte mathematische Eigenschaft von W-Zuständen konzentrierten, die als zyklische Verschiebungssymmetrie bezeichnet wird, und diese nutzten, um einen photonischen Quantenschaltkreis zu entwerfen, der die verborgene Struktur der Verschränkung in etwas Messbares umwandeln könnte, gelang es ihnen, ein physikalisches Gerät zu bauen und es mit drei Photonen zu testen. Und laut der Studie hat es funktioniert.

„Mehr als 25 Jahre nach dem ersten Vorschlag zur verschränkten Messung von GHZ-Zuständen ist es uns nun endlich gelungen, auch die verschränkte Messung für den W-Zustand durchzuführen“, sagte Shigeki Takeuchi, der korrespondierende Autor der Studie.

Takeuchi fügte hinzu, dass das Gerät selbst bemerkenswert sei, da es über einen längeren Zeitraum hinweg lief, ohne ständig manuell nachjustiert werden zu müssen – was bei vielen Quantenlabor-Aufbauten ein großes Problem darstellt.

Wenn diese Technologie jemals über den Forschungsbereich hinaus Anwendung finden soll, muss sie stabil genug sein, um ohne ständige Überwachung zu funktionieren, und glücklicherweise gibt das Team an, dass dies bei ihren optischen Schaltkreisen gelungen ist.

Als Nächstes: größere Multiphotonensysteme

W-Zustände spielen eine entscheidende Rolle bei der Quantenteleportation, bei der es um die Übertragung von Quanteninformation geht und nicht um die physische Bewegung von Objekten. Die Möglichkeit, diese Zustände mit einer einzigen Messung zuverlässig zu identifizieren, anstatt unzählige Berechnungen durchführen zu müssen, beseitigt laut den Forschern einen bisherigen erheblichen Engpass auf diesem Gebiet.

Die japanischen Forscher sind jedoch die ersten, denen so etwas gelungen ist. Auch andere Teams haben kürzlich eine vollständig photonische Quantenteleportation in städtischen Glasfasernetzen demonstriert, und im Jahr 2026 testete eine Gruppe ein Quantennetzwerk mit drei Knotenpunkten über bestehende Kabel in New York.

Auch wenn all dies nicht direkt mit der Arbeit am W-Zustand zusammenhängt, deutet doch alles in dieselbe Richtung: Bessere Werkzeuge für den Umgang mit instabilen Quantenzuständen werden unverzichtbar sein, wenn diese Systeme aus den Labors in die reale Infrastruktur Einzug halten.

Wie geht es nun weiter? Die Teams aus Kyoto und Hiroshima geben an, dass sie planen, die Methode auf größere Mehrphotonen-Systeme auszuweiten und schließlich On-Chip-Versionen der Schaltungen zu entwickeln, wodurch der gesamte Prozess kompakter, schneller und praxistauglicher würde.

Quellenhinweis:

Quantum breakthrough could revolutionize teleportation and computing, published by Kyoto University, published in ScienceDaily, May 2026.