Oxford-Physiker entschlüsseln zwei neue Formen der Quantenkontrolle mit einem einzigen gefangenen Ion

Die Arbeitsgruppe für gefangene Ionen der University of Oxford hat die Grenzen der Quantenkontrolle schon oft verschoben, doch zwei Durchbrüche, über die im Frühjahr und Frühsommer 2026 berichtet wurde, stechen besonders hervor. Innerhalb weniger Wochen veröffentlichte das Team Ergebnisse in Nature Physics und Physical Review X, die das Spektrum dessen erweitern, was ein einzelnes atomares Ion leisten kann – von der Erzeugung eines bisher unzugänglichen Quanteneffekts vierter Ordnung bis hin zur Konstruktion völlig neuartiger Überlagerungszustände. Obwohl beide Experimente auf derselben Plattform basieren, lösen sie unterschiedliche Probleme und öffnen Türen zu verschiedenen technologischen Anwendungen.

Quadsqueezing: Einem Geist vierter Ordnung Licht verleihen

Standard-Quantensqueezing ist eine Technik zweiter Ordnung, die die Unschärfe neu formt, um die Messgenauigkeit zu verbessern – man kann es sich wie das Zusammenpressen von Rauschen in eine Richtung vorstellen, auf Kosten einer stärkeren Streuung in der anderen. Seit Jahrzehnten verbessert Squeezing die Leistung von Gravitationswellendetektoren und Atomuhren. Der Schritt darüber hinaus, zum Squeezing vierter Ordnung, war theoretisch einfach, aber experimentell unerreichbar, da Rauschen, das auf niedrigeren Stufen ignoriert werden konnte, übermächtig wurde .

Im Mai 2026 änderte ein von Oxford geleitetes Team, dem Dr. Oana Băzăvan, Professor David Lucas und Dr. David Nadlinger angehörten, dies, indem es eine Abfolge kontrollierter Kräfte auf ein einzelnes, in einer elektrischen Falle schwebendes Calcium-Ion anwandte. Durch die geschickte Kombination dieser Kräfte in einer bestimmten Reihenfolge erzeugten sie Quadsqueezing – eine Quantenkorrelation vierter Ordnung, die sich als Verschränkung zwischen vier verschiedenen Bewegungszuständen zeigt – mit beispielloser Geschwindigkeit. Die Methode produzierte diese Effekte 100-mal schneller als herkömmliche Ansätze und machte sie zum ersten Mal überhaupt sichtbar .

Die entscheidende methodische Erkenntnis war die Einfachheit: Anstatt exotische Hardware übereinander zu schichten, nutzte das Team vorhandene Werkzeuge für gefangene Ionen in einer Sequenz, die das Signal vierter Ordnung vom Rauschen isolierte, das es zuvor überdeckt hatte . Das in Nature Physics veröffentlichte Ergebnis markiert die erste experimentelle Beobachtung von Quantenverschränkungseffekten vierter Ordnung .

Warum das wichtig ist. Quadsqueezing bietet einen empfindlicheren Hebel für die Quantenmetrologie, da Korrelationen höherer Ordnung das Standard-Quantenlimit mit größerem Abstand unterbieten können. Es eröffnet zudem einen Weg zur Entwicklung komplexer Quantenzustände, die als Bausteine für fehlertolerante Quantencomputer und Sensoren der nächsten Generation dienen .

Schrödinger-Katzen, gebaut aus dem Sonderbaren, nicht dem Einfachen

Der zweite Durchbruch folgte im Juni 2026 in Physical Review X. Quantenüberlagerungszustände – oft Schrödinger-Katzen-Zustände genannt – werden üblicherweise aus gewöhnlichen kohärenten Wellenpaketen zusammengesetzt, dem quantenmechanischen Analogon einer klassischen Umlaufbahn. Das Oxforder Team stellte jedoch eine andere Frage: Was wäre, wenn jeder Teil der Überlagerung selbst bereits intrinsisch nichtklassisch wäre?

Mithilfe der Bewegung eines einzelnen gefangenen Ions konstruierten die Forscher Überlagerungen, bei denen die beiden überlappenden Komponenten gequetschte Zustände waren – Quantenkonfigurationen, in denen die Unschärfe bereits auf kontraintuitive Weise umverteilt ist. Durch hochpräzise Programmierung des Ionenzustands formten sie komplexe, asymmetrische Überlagerungen, die zuvor nicht erreichbar waren .

Die Methode gibt Physikern eine programmierbare Kontrolle über die Form und Eigenschaften des Katzen-Zustands. In herkömmlichen Katzen-Zuständen sieht die Quantenunschärfe in beiden Zweigen identisch aus; hier unterscheidet sie sich, was eine reichhaltigere Interferenzstruktur erzeugt, die für Fehlerkorrekturen und grundlegende Tests der Quantenmechanik genutzt werden könnte .

Warum das wichtig ist. Quantenfehlerkorrektur beruht darauf, Informationen in Zuständen zu kodieren, die resistent gegen Rauschen sind. Die Erzeugung von Überlagerungen aus nichtklassischen Komponenten, wie gequetschten Zuständen, könnte logische Qubits hervorbringen, die von Natur aus widerstandsfähiger sind. Die Arbeit schärft zudem das Testfeld für fundamentale Fragen zur Dekohärenz und zum Übergang von der Quanten- zur klassischen Welt .

Warum ein einzelnes gefangenes Ion?

Beide Durchbrüche teilen sich eine gemeinsame Bühne: ein einzelnes gefangenes Ion – wahrscheinlich ein Calcium- oder Strontium-Isotop – das durch radiofrequente elektrische Felder nahezu bewegungslos gehalten wird. Ein gefangenes Ion vereint zwei verschiedene Quantensysteme: einen gut isolierten internen elektronischen Zustand, der als Qubit fungiert, und Bewegungsmoden, die per Laser bis in den quantenmechanischen Grundzustand gekühlt werden können. Diese Doppelnatur macht Ionen zu einer idealen Plattform, um komplexe Quantenzustände zu erzeugen und zu analysieren .

Entscheidend ist, dass die Oxford Ion Trap Group diese Plattform seit Jahren verfeinert. Im Juni 2025 stellte dieselbe Gruppe einen Weltrekord für die Genauigkeit von Ein-Qubit-Gattern auf und erreichte eine Fehlerrate von nur 0,000015 % oder einen Fehler auf 6,7 Millionen Operationen . Diese extreme Kontrolle über einzelne Qubits ist das Fundament, das die Quadsqueezing- und Katzen-Zustands-Ergebnisse von 2026 erst möglich machte.

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Weder Quadsqueezing noch programmierbare Katzen-Zustände werden morgen in einem kommerziellen Quantencomputer auftauchen. Aber zusammen füllen sie zwei verschiedene Lücken im Quanten-Werkzeugkasten: Der eine liefert einen schnelleren, saubereren Weg zu Verschränkungen höherer Ordnung für Sensorik und Metrologie, der andere eine neue Methode, Information für die Fehlerkorrektur zu formen. Beide zeigen, dass ein einziges, gut kontrolliertes Ion eine der vielseitigsten Plattformen bleibt, um die tiefsten Regeln der Quantenphysik zu erforschen – und zu nutzen.