Quantenchip verschränkt sechs Schallmoden und überträgt die Verschränkung zwischen Resonatoren

Zwei akustische Resonatoren teilen einen Quantenzustand

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Dian Tan an der Shenzhen International Quantum Academy hat gemeinsam mit der Universität Stuttgart und weiteren Einrichtungen auf einem hybriden Chip Quantenverschränkung zwischen zwei, vier und sechs akustischen Moden erzeugt. Außerdem übertrug das Team verschränkte Zustände mit zwei und vier Moden zwischen zwei separaten mechanischen Resonatoren und demonstrierte damit sowohl die Präparation als auch die Übertragung von Quanteninformation, die in Schwingungen gespeichert ist.

Das stärkste Ergebnis bei der Präparation eines verschränkten Zustands war eine Fidelität von 0.912 ± 0.003 für zwei Moden. Die Fidelität gibt an, wie genau ein experimenteller Quantenzustand mit dem angestrebten Zustand übereinstimmt; 1 steht für eine perfekte Übereinstimmung. Die entsprechenden Werte betrugen 0.790 ± 0.003 für vier Moden und 0.570 ± 0.001 für sechs Moden.

Die in Science veröffentlichte Studie mit dem Titel Deterministic generation and distribution of genuine multipartite entanglement in macroscopic acoustic resonators ist auf den 15. Oktober 2026 datiert. Das Shenzhen-Institut gab die Arbeit am 16. Oktober bekannt.

Das Experiment vereint drei Aufgaben, die ein größeres akustisches Quantensystem bewältigen müsste: gemeinsame Quantenzustände erzeugen, sie zwischen Hardwareeinheiten übertragen und sie messen. Der anspruchsvollste erzeugte Zustand umfasste sechs akustische Moden; bei den Übertragungsexperimenten kamen zwei und vier Moden zum Einsatz.

Wie Schwingungen Quanteninformation tragen

Der Chip nutzt Phononen, die Quanten der mechanischen Schwingung. Ein Phonon spielt bei Schwingungen eine ähnliche Rolle wie ein Photon beim Licht: Es beschreibt eine diskrete Energiemenge in einem Quantensystem.

Bei den mechanischen Bauelementen handelt es sich um akustische Volumenresonatoren mit hohen Obertönen, sogenannte HBARs. Jeder Resonator unterstützt zahlreiche akustische Moden, also unterschiedliche Schwingungsmuster bei verschiedenen Frequenzen. Ein Instrument kann mehrere Töne erzeugen; ähnlich unterstützt ein Resonator mehrere Schwingungsmuster. Die Kontrolle ihrer Quantenzustände erfordert allerdings wesentlich präzisere Geräte.

HBARs sind für Forschende interessant, weil sie mehrere Moden, vergleichsweise lange Speicherlebensdauern und die Kompatibilität mit der Integration auf einem Chip vereinen. Mehrere Moden in einem Bauelement bieten verschiedene Möglichkeiten, Quanteninformation zu kodieren. So wird nicht für jede Mode ein separates mechanisches Bauteil benötigt.

Was macht die Verschränkung echt?

Tan und seine Kollegen erzeugten echte multipartite Verschränkung. Vereinfacht gesagt gehören die Quantenverbindungen zur gesamten Gruppe der beteiligten Moden. Der Zustand lässt sich nicht in voneinander unabhängige kleinere Gruppen aufteilen, die seine gesamte Verschränkung enthalten.

Sechs Moden, die als drei unabhängige verschränkte Paare angeordnet sind, hätten beispielsweise eine andere Struktur als eine echte Verschränkung, die alle sechs Moden umfasst. Letztere liefert Forschenden eine gemeinsame Quantenressource, die Operationen über mehrere Teile eines Prozessors oder Netzwerks hinweg ermöglichen könnte.

Tan bezeichnete diese gemeinsame Verbindung als Ressource für Quantennetzwerke mit mehreren Knoten und für die verteilte Verarbeitung von Quanteninformation. Ein Knoten ist eine einzelne Einheit, die Quanteninformation speichern oder verarbeiten kann. Bei der verteilten Verarbeitung wird eine Aufgabe auf miteinander verbundene Einheiten aufgeteilt.

Die Autoren beschreiben ihre experimentelle Leistung im Abstract der Arbeit:

Wir berichten über die Erzeugung und Übertragung echter multimodaler Verschränkung zwischen zwei multimodalen akustischen Resonatoren.

Die Hardware ermöglicht somit sowohl die Erzeugung eines gemeinsamen Zustands als auch dessen Übertragung zwischen verschiedenen mechanischen Bauelementen. Beides ist erforderlich, um akustische Quantenkomponenten zu einem größeren System zu verbinden.

Ein supraleitendes Qubit steuert mehrere Moden

Die Forschenden koppelten die akustischen Resonatoren an abstimmbare supraleitende Qubits. Ein Qubit ist eine steuerbare Einheit zur Speicherung von Quanteninformation. In diesem Experiment ermöglichen die Qubits die Präparation, Manipulation und Messung der mechanischen Quantenzustände.

Das Team entwickelte die Verteilung der Frequenzen der akustischen Moden und die Wechselwirkung zwischen Qubits und Phononen sorgfältig. So konnte ein supraleitendes Qubit stark mit mehreren mechanischen Moden wechselwirken. Dadurch erhielten die Forschenden über ein gemeinsames Steuerelement Zugriff auf verschiedene Schwingungsmuster.

Starke Kopplung bedeutet, dass die Wechselwirkung einen kontrollierten Austausch von Quanteninformation ermöglicht, bevor Verluste und unerwünschte Störungen den Prozess überlagern. Die Auswahl und Steuerung mehrerer Moden ist entscheidend dafür, die zahlreichen Schwingungsmuster eines Resonators in nutzbare Quantenressourcen umzuwandeln.

Die resultierende Architektur vereint verschiedene Arten von Quantenhardware: Mechanische Resonatoren speichern akustische Zustände, supraleitende Qubits steuern sie, und ein abstimmbarer Quantenkoppler verbindet Teile der Schaltung. Die Integration dieser Elemente auf einem Chip bildet die Grundlage für das vorgeschlagene modulare Design des Teams.

Was die Präparationswerte zeigen

Die Science-Studie nennt folgende Fidelitäten für die Präparation der angestrebten verschränkten Zustände:

• Zwei Moden: 0.912 ± 0.003 oder 91.2 % Fidelität.
• Vier Moden: 0.790 ± 0.003 oder 79.0 % Fidelität.
• Sechs Moden: 0.570 ± 0.001 oder 57.0 % Fidelität.

Der Rückgang macht sichtbar, welchen Aufwand die größere Komplexität mit sich bringt. Beim Übergang von zwei zu sechs beteiligten Moden sank die gemessene Fidelität um 34.2 Prozentpunkte. Mehr Moden vergrößern den gemeinsamen Quantenzustand, erhöhen aber zugleich die Anforderungen an Präparation und Steuerung.

Die Fidelität beschreibt die Ähnlichkeit zwischen dem gemessenen und dem angestrebten Zustand. Die Unsicherheit nach jedem Wert gibt die ausgewiesene Messunsicherheit an. Die Forschenden stufen alle drei präparierten Zustände als echt verschränkt ein.

Die Autoren bezeichnen ihren Ansatz außerdem als deterministisch. Das bedeutet, dass die Präparation durch eine kontrollierte Abfolge erfolgen soll, statt von der Auswahl gelegentlich erfolgreicher Zufallsereignisse abzuhängen. Deterministischer Betrieb und Fidelität beschreiben unterschiedliche Leistungsaspekte: Auch eine kontrollierte Präparationsabfolge kann einen unvollkommenen Zustand hervorbringen.

Verschränkung zwischen mechanischen Knoten übertragen

Im Übertragungsexperiment kamen zwei separate HBAR-Resonatoren zum Einsatz, die zusammen mit supraleitenden Qubits und einem abstimmbaren Koppler in dieselbe hybride Chiparchitektur integriert waren. Das Team tauschte Quanteninformation zwischen den Resonatoren aus und übertrug verschränkte Zustände von einem mechanischen Knoten zum anderen.

Für Zustände mit zwei Moden betrug die angegebene Übertragungsfidelität 0.785 ± 0.006. Für Zustände mit vier Moden lag sie bei 0.601 ± 0.006. Als Prozentwerte entsprechen diese Angaben 78.5 % und 60.1 %.

Die Übertragungsergebnisse gehen über die Präparation von Verschränkung innerhalb der akustischen Hardware hinaus. Sie zeigen einen Weg, einen gemeinsamen Quantenzustand zu einem anderen Resonator zu übertragen. Das ist notwendig, wenn verschiedene Knoten unterschiedliche Teile einer Berechnung speichern oder verarbeiten sollen.

Die gezeigten Übertragungen umfassen zwei und vier Moden; die Übertragung auf sechs Moden bleibt eine weitere Aufgabe. Die demonstrierte Verbindung besteht zwischen Resonatoren auf demselben Chip. Das vorgeschlagene größere Netzwerk soll durch weitere verbundene Hardwareeinheiten entstehen.

Zwei Qubits messen einen größeren akustischen Zustand

Die Forschenden entwickelten außerdem eine Methode zur Quantenzustandstomografie, bei der supraleitende Qubits für mehrere akustische Moden wiederverwendet werden. Bei der Tomografie wird ein Quantenzustand anhand zahlreicher Messungen rekonstruiert, die nach wiederholter Präparation des Experiments vorgenommen werden.

Dieser Schritt ist wichtig, denn eine Steuerungsabfolge zu entwickeln, ist nur ein Teil des Experiments. Forschende benötigen Messungen, die den tatsächlich erzeugten Zustand sichtbar machen, einschließlich der Korrelationen zwischen seinen verschiedenen Moden.

Das Team verwendete lediglich zwei supraleitende Qubits, um die multimodalen verschränkten Phononenzustände tomografisch zu untersuchen. Indem es diese Messressourcen für verschiedene Moden wiederverwendete, musste es nicht jeder akustischen Mode ein eigenes Messqubit zuordnen.

Tan bezeichnete das Ergebnis als die bis dahin umfangreichste experimentelle Charakterisierung multimodaler Phononenzustände auf einer quantenakustischen Plattform. Diese Aussage bezieht sich auf den Umfang der Zustandsrekonstruktion. Der praktische Beitrag ist eine Messmethode, die mit einer begrenzten Zahl von Qubits mehr leisten kann, wenn das akustische System wächst.

Warum das Chip-Layout wichtig ist

Die zweidimensionale Chiparchitektur des Teams begegnet einer physikalischen Einschränkung beim Ausbau dieser Experimente. Herkömmliche Entwürfe mit dreidimensionalen Mikrowellenresonatoren stellen hohe Anforderungen an Platz und Konstruktion, wenn Forschende weitere Komponenten verbinden wollen.

Tan zufolge bietet der Chipansatz Modularität, Integrationsmöglichkeiten und Raum für Erweiterungen. In der vorgeschlagenen Anordnung würden einzelne supraleitende Qubits an separate mechanische Resonatoren gekoppelt und die Qubits anschließend über steuerbare Koppler miteinander verbunden.

Jeder zusätzliche Resonator könnte mehrere akustische Moden beisteuern. Das Design bietet somit zwei Ausbaumöglichkeiten: mehr Resonatorknoten miteinander zu verbinden und mehr der von jedem Resonator unterstützten Moden zu nutzen.

Die Präparations- und Übertragungswerte zeigen zugleich, was noch zu tun ist. Mit steigender Zahl beteiligter Moden sank die Fidelität, und die nachgewiesenen Übertragungsfidelitäten lagen unter den entsprechenden Präparationswerten. Ein größerer Prozessor müsste nutzbare Zustände bewahren und gleichzeitig sowohl die Zahl der Moden als auch die Zahl der Verbindungen erhöhen.

Vom Experiment zum größeren Netzwerk

Die unmittelbare Leistung ist eine Laborplattform, die multimodale Verschränkung, die Übertragung zwischen mechanischen Knoten und die Rekonstruktion von Zuständen vereint. Die gezeigten und vorgeschlagenen Schritte im Überblick:

• 15. Oktober 2026: Die Veröffentlichung in Science dokumentiert die Präparation echter verschränkter Zustände mit zwei, vier und sechs Moden sowie Übertragungen mit zwei und vier Moden.
• 16. Oktober 2026: Das Institut in Shenzhen gibt die Ergebnisse der Zusammenarbeit bekannt und beschreibt den Ansatz zur Steuerung und Messung.
• Nächste geplante Ausbaustufe: Weitere HBAR-Resonatoren und supraleitende Qubits sollen über steuerbare Koppler verbunden werden, um die verfügbaren Verschränkungsressourcen zu erweitern.

Das Team hat keinen Termin für ein größeres Netzwerk genannt. Der Vorschlag baut unmittelbar auf der demonstrierten Hardware auf: Resonatoren dienen als Module, ihre akustischen Moden als Quantenressourcen und supraleitende Schaltungen zur Steuerung und Verbindung.

Für die Quantencomputerforschung ist der Beitrag konkret. Das Experiment zeigt, wie mehrere Schwingungsmoden einen echten Quantenzustand teilen können, wie sich ein verschränkter Zustand zwischen Resonatoren übertragen lässt und wie zwei Qubits dabei helfen können, einen größeren akustischen Zustand zu rekonstruieren. Höhere Fidelität und mehr miteinander verbundene Knoten sind die nächsten Voraussetzungen, um diesen Ansatz auszubauen.

Wichtige Punkte

• Das Team von Dian Tan und internationale Kooperationspartner erzeugten echte Verschränkung mit zwei, vier und sechs akustischen Moden.
• Die Präparationsfidelitäten betrugen 91.2 %, 79.0 % beziehungsweise 57.0 %.
• Verschränkte Zustände mit zwei und vier Moden wurden mit Fidelitäten von 78.5 % und 60.1 % zwischen separaten Resonatoren übertragen.
• Zwei supraleitende Qubits wurden wiederverwendet, um die multimodalen Phononenzustände mittels Tomografie zu rekonstruieren.
• Das Team schlägt vor, die Chiparchitektur um weitere Resonatoren, Qubits und steuerbare Verbindungen zu erweitern.