Physikern der Kyoto-Universität und der Hiroshima-Universität ist es gelungen, eine einstufige Messung der W-Zustände der Quantenverschränkung mit drei Photonen experimentell zu demonstrieren. Die Arbeit wurde in Science Advances im September 2025 veröffentlicht und löst ein 25-jähriges Messproblem, das früher komplexe Quantentomographie erforderte, und eröffnet neue Wege für Quantenkommunikation und -rechnen.
Ein 25 Jahre altes Messproblem bei der Quantenverschränkung
Die Quantenverschränkung gehört zu den faszinierendsten und kontraintuitivsten Phänomenen der modernen Physik. Wenn fundamentale Teilchen wie Photonen oder Elektronen miteinander verschränkt werden, teilen sie eine gemeinsame quantenmechanische Identität. Sie lassen sich dann nicht mehr als eigenständige Einheiten beschreiben, sondern existieren in einer Überlagerung, bei der kein Teilchen einen festen, unabhängigen Zustand besitzt, bis eine Messung erfolgt. Dieses Verhalten widerspricht der klassischen Realitätserwartung und ist heute ein unverzichtbares Fundament für zukunftsweisende Technologien wie Quantenteleportation und fortschrittliche Kommunikationsprotokolle.
Bislang konzentrierte sich die physikalische Forschung vor allem auf die als vanilla ice cream
bekannten Greenberger-Horne-Zeilinger-Zustände, kurz GHZ-Zustände. Für diese fundamentale Form der Mehrteilchenverschränkung existierten bereits seit mehr als zwei Jahrzehnten Methoden zur direkten Messung. Eine zweite, ungleich komplexere Klasse von Verschränkungen – die sogenannten W-Zustände – ließ sich hingegen über ein Vierteljahrhundert hinweg nicht direkt erfassen. Physiker vergleichen die Eigenschaft der W-Zustände gerne mit chocolate chip cookie dough
, da sie eine ungleich höhere Komplexität aufweisen und eine entscheidende Besonderheit besitzen: Geht bei einem W-Zustand eines der verschränkten Teilchen verloren, behalten die verbleibenden Partikel ihren nützlichen Verschränkungszustand bei.
Das methodische Nadelöhr der Quantentomographie
Um den Zustand verschränkter Systeme zu bestimmen, griffen Forschende traditionell auf die Quantentomographie zurück. Das Verfahren ähnelt der medizinischen Computertomographie: Aus einer Vielzahl einzelner Messungen wird ein schrittweises Gesamtbild des Quantenzustands rekonstruiert. Mit steigender Partikelanzahl stößt dieser Ansatz jedoch an unüberwindbare Grenzen.
Jede Beobachtung eines Quantensystems zerstört dessen Verschränkung augenblicklich, weshalb stets zahlreiche identische Systeme neu erzeugt werden müssen. Zudem wächst die erforderliche Datenmenge mit jedem hinzugefügten Photon exponentiell an. Ein kleiner Zuwachs an Teilchen führt so zu einem massiven Messaufwand. Um diesen zeit- und rechenintensiven Engpass zu umgehen, entwickelten Wissenschaftler nun einen gänzlich neuen Ansatz für eine sogenannte One-Shot-Messung.
Optische Schaltungen und zyklische Verschiebungssymmetrie
Das Team aus Kyoto und Hiroshima konstruierte eine spezielle optische Schaltung auf Basis einer diskreten Fourier-Transformation, die als hochentwickeltes Interferometer fungiert. Anstatt Hunderte einzelner Messungen aneinanderzureihen, speisten die Forschenden drei Photonen mit bekannter Polarisation in das selbstgebaute Gerät ein. Die Photonen wurden dabei auf verschiedene Pfade aufgeteilt und gezielt zur Interferenz gebracht, wobei sich ihre Wellenfunktionen je nach Phasenlage entweder verstärkten oder auslöschten.
Dieser apparative Aufbau erlaubte es dem Team, die mathematische Eigenschaft der W-Zustände zu untersuchen, die als cyclic shift symmetry
bezeichnet wird. Bei dieser zyklischen Symmetrie verändert sich die strukturelle Beschreibung des verschränkten Systems nicht, wenn die einzelnen Photonen in einer regelmäßigen Reihenfolge verschoben werden.
Präzision und der Ausblick auf künftige Quantennetzwerke
Bei der experimentellen Validierung erzielte das Forschungsteam eine durchschnittliche Unterscheidungsgenauigkeit (Measurement Discrimination Fidelity, MDF) von 0.871 ± 0.039. Damit gelang es den Apparaturen, den W-Zustand in rund 87 Prozent der Fälle korrekt zu identifizieren. Dieser Wert übertrifft die mathematische Schwelle von 66,7 Prozent, die als Beleg für eine erfolgreich nachgewiesene Drei-Teilchen-Verschränkung gilt, deutlich. Als Grund für die verbleibende Abweichung zur Perfektion nennen die Verantwortlichen Unvollkommenheiten bei der Photonenaufbereitung sowie im experimentellen Aufbau selbst.
Die Bedeutung dieses Durchbruchs erstreckt sich auf mehrere Anwendungsfelder der Quantentechnologie. Neben der Quantenteleportation, bei der Informationen mittels Verschränkung ohne physischen Raumtransport übertragen werden, profitieren auch die abhörsichere Quantenkommunikation und das Quantenrechnen von effizienteren Messverfahren. Als nächsten Schritt planen die Forschenden, die optischen Quantenschaltkreise zu verkleinern und direkt auf Mikrochips zu integrieren, um die Technologie für großskalige Quantennetzwerke einsatzbereit zu machen.
