Neueste Fortschritte in der Quantenphysik haben bedeutende Einblicke in die Natur der Entropie und deren Auswirkungen auf die Quanteninformationsverarbeitung (QIP) enthüllt. Ein Forschungsteam der Technischen Universität Wien, Österreich, veröffentlichte am 29. Januar 2025 Ergebnisse, die die Beziehung zwischen quantenmechanischen Systemen und dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik klären. Traditionell besagt dieses Gesetz, dass die Entropie in geschlossenen Systemen tendenziell zunimmt, was zu Unordnung führt. Die Studie zeigt jedoch, dass, wenn Entropie auf eine mit quantenmechanischen Prinzipien kompatible Weise definiert wird, sie auch in quantenmechanischen Systemen zunimmt und damit den thermodynamischen Erwartungen entspricht.
Professor Marcus Huber und sein Team demonstrierten, dass Zustände mit niedriger Shannon-Entropie im Laufe der Zeit in Zustände mit höherer Entropie übergehen, was bestätigt, dass quantenmechanische Systeme unter bestimmten Bedingungen den thermodynamischen Gesetzen gehorchen. Dieses Verständnis ist entscheidend für die Entwicklung neuer Quantentechnologien, insbesondere für Systeme mit vielen Teilchen, bei denen eine Versöhnung der Quantentheorie mit der Thermodynamik unerlässlich ist.
Am selben Tag berichtete eine weitere bahnbrechende Studie über die Echtzeitbeobachtung ultraflottiger optischer Einstein-Podolsky-Rosen (EPR)-Korrelationen, einer grundlegenden Ressource für QIP. Die Forscher erreichten dieses Ziel mithilfe eines Wellenleiter-basierten optischen parametrischen Verstärkers mit 6 THz Bandbreite, der die Effizienz von 70 GHz breiten homodynen Detektoren, die für die 5G-Telekommunikation wichtig sind, verbessert. Diese Innovation ermöglicht quantenmechanische Zustandsmessungen mit bisher unerreichter Geschwindigkeit und markiert einen Übergang von Nanosekunden- zu Pikosekunden-Zeitskalen.
Die beobachtete quantenmechanische Korrelation von 4,5 dB unter dem Schussrauschen in Wellenpaketen mit einer Periode von 40 ps zeigt das Potenzial zur Skalierung von verschränkten Zuständen für verschiedene QIP-Anwendungen, einschließlich Quantenberechnung und sicherer Kommunikation. Die Kompatibilität dieser Technologie mit bestehenden optischen Kommunikationssystemen deutet auf eine nahtlose Integration in zukünftige Quanten-Netzwerke hin.
Diese Entdeckungen fördern nicht nur das theoretische Verständnis, sondern ebnen auch den Weg für praktische Anwendungen in Quantentechnologien und verbessern die Effizienz und Geschwindigkeit von Quanteninformationssystemen weltweit.