Verteilte Mehrparameter-Quantenmetrologie mit einem supraleitenden Quanten-Netzwerk

Das Unsichtbare messen mit Quanten-Netzwerken

Moderne Technologie baut auf unserer Fähigkeit auf, winzige Veränderungen von Zeit, Feldern und Kräften zu messen. Von GPS-Navigation bis zur Suche nach dunkler Materie erfordern viele Forschungsfelder heute Empfindlichkeiten, die herkömmliche Instrumente übersteigen. Diese Arbeit zeigt, wie ein Netzwerk supraleitender Quantenprozessoren als eine neue, leistungsstarke Messvorrichtung zusammenwirken kann, die nicht nur ein Signal, sondern mehrere verwandte Größen gleichzeitig mit deutlich höherer Präzision als klassische Methoden ausliest.

Ein Quanten-Netzwerk aus supraleitenden Chips

Die Forschenden bauten ein kleines Quanten-Netzwerk aus supraleitenden Schaltungen, die nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt wurden. Im Zentrum steht ein „Hub“-Modul, das über verlustarme Mikrowellenkabel mit mehreren „Sensor“-Modulen verbunden ist. Jedes Modul enthält vier Quantenzustände, sogenannte Qubits, die verschränkt werden können — in gemeinsamen Quantenzuständen, bei denen die Messung eines Qubits die anderen sofort beeinflusst, unabhängig von ihrer räumlichen Trennung. Die Mikrowellenkabel fungieren dabei wie Quanten-Autobahnen und transportieren empfindliche Quanten-Zustände zwischen den Chips mit Zustandsübertragungswirkungsgraden nahe 99 %. Dieses modulare Design erlaubt es, im Laufe der Zeit weitere Sensorknoten hinzuzufügen, ähnlich dem Anschluss neuer Geräte an ein Hochgeschwindigkeits-Datennetz.

Verschränkung als besserer Felder-Sensor

Im ersten Experiment nutzte das Team dieses Netzwerk, um alle drei Komponenten eines magnetfeldähnlichen Vektorfelds an einem entfernten Sensormodul zu messen. Sie begannen damit, ein verschränktes Qubit-Paar im zentralen Hub zu erzeugen. Ein Qubit blieb als Ancilla im Hub, während das andere zu einem Sensormodul transferiert wurde, das das unbekannte Feld „erlebte“. Das Sensor-Qubit durchlief dann eine sorgfältig gestaltete Abfolge: eine kurze Wechselwirkung mit dem Feld, gefolgt von einer Kontrolloperation, wiederholt über viele Zyklen. Nach diesen Zyklen wurde der Zustand des Sensors zurück zum Hub gesendet, wo beide Qubits gemeinsam gemessen wurden. Durch hunderte Wiederholungen dieses Ablaufs und die Analyse der Statistik mittels eines Maximum-Likelihood-Verfahrens konnten die Forschenden präzise Schätzungen zur Stärke und Richtung des Feldes gewinnen.

Klassische Grenzen für mehrere Größen zugleich übertreffen

Normalerweise erzwingt der Versuch, mehrere Eigenschaften eines Quantensystems gleichzeitig zu messen, Kompromisse in der Präzision, weil die zugrunde liegenden Größen inkompatibel sein können. Hier zeigte das Team, dass sich durch die Kombination verschränkter Zustände mit einer adaptiven „sequentiellen“ Strategie — bei der Kontrollpulse schrittweise auf Basis früherer Messungen angepasst werden — diese üblichen Kompromisse vermeiden lassen. Mit zunehmender Anzahl von Signal–Control-Zyklen nahm die Unsicherheit in allen drei Feldparametern mit einer invers-quadratischen Skalierung ab, der günstigsten Skalierung, die die Quantenmechanik für die eingesetzten Ressourcen erlaubt. Im Vergleich zu einem konventionelleren Ansatz, der jeden Parameter getrennt mit unverschrenkten Sonden misst, verbesserte ihre Methode die Präzision (in Bezug auf die Varianz) um bis zu 13,72 Dezibel, was mehr als zwanzigfach geringere Unsicherheit bedeutet.

Abbilden von Feldänderungen im Raum

Im zweiten Experiment erweiterten die Forschenden die Idee, indem sie zwei entfernte Sensormodule einsetzten, um zu messen, wie ein Feld räumlich variiert — den Gradienten des Feldes. Sie erzeugten einen vier-Qubit-Greenberger–Horne–Zeilinger-(GHZ)-Zustand, einen stark verschränkten Zustand, der über die beiden Sensorknoten verteilt und durch den zentralen Hub geleitet wurde. Jedes Qubit-Paar an einem Sensor erlebte sein lokales Feld, und der gesamte verschränkte Zustand wurde anschließend mit ähnlichen Signal–Control-Zyklen und gemeinsamen Messungen bearbeitet. Aus den resultierenden Daten konnte das Team direkt die Unterschiede zwischen den Feldern an den beiden Orten schätzen. Verglichen mit einer verteilten Strategie, die nur lokale Verschränkung innerhalb jedes Moduls verwendete und anschließend die beiden separaten Messwerte subtrahierte, schnitt der nichtlokale Ansatz konsequent besser ab und erreichte eine Reduktion der Gesamtvarianz um 3,44 Dezibel für zweidimensionale Feldgradienten.

Von der Laborvorführung zu Quanten-Sensornetzwerken

Einfach ausgedrückt zeigt diese Arbeit, dass ein Netzwerk verschränkter supraleitender Qubits als hochgradig einstellbare Messmaschine fungieren kann, die sowohl den Wert eines entfernten Feldes als auch dessen räumliche Variation mit einer Präzision ausliest, die getrennten Sensoren überlegen ist. Die Kombination aus schneller supraleitender Hardware, verlustarmen Quantenverbindungen und adaptiver Steuerung ermöglicht es dem System, fundamentale Quantenlimits zu erreichen und dabei mehrere Parameter gleichzeitig zu behandeln. Wenn diese Techniken skaliert und mit Fehlerkorrektur sowie komplexeren Netzwerkarchitekturen kombiniert werden, könnten sie praktische, quantenverstärkte Sensornetzwerke für Anwendungen wie elektromagnetische Feldüberwachung, Navigation und die Suche nach schwachen Signalen neuer Physik ermöglichen.

Zitation: Zhang, J., Wang, L., Hai, YJ. et al. Distributed multi-parameter quantum metrology with a superconducting quantum network. Nat Commun 17, 1825 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68535-9

Schlüsselwörter: Quanten-Sensorik, supraleitende Qubits, Quanten-Netzwerke, verschränkungsverstärkte Metrologie, Magnetfeldgradienten