Messungen sind ein zentraler Bestandteil aller Quantentechnologien. Sie lassen den Quantenzustand, auf den sie wirken, kollabieren, zerstören dabei seine Quanteneigenschaften und bilden so die Brücke zur klassischen Welt. Quantenmechanik erlaubt aber auch Messungen, die allgemeiner sind als jene, die sich direkt mit den klassischen Eigenschaften eines Systems in Verbindung bringen lassen.
Diese verallgemeinerten Messungen, auch POVMs (Positive Operator Valued Measures) genannt, sind nicht nur eine mathematische Kuriosität. Sie können die Effizienz von Aufgaben wie die Unterscheidung ansonsten nicht unterscheidbarer Quantenzustände verbessern, mehr Informationen aus Quantensensoren gewinnen und die Sicherheit von Quantenkommunikation erhöhen. Allerdings sind POVMs auf realen Quantenplattformen nur schwer umzusetzen, und es ist oft schwierig nachzuweisen, dass sie einfacheren Messverfahren tatsächlich überlegen sind. Dadurch bleibt häufig unklar, ob sich ihr zusätzlicher Aufwand überhaupt lohnt. Die neue Zertifizierungsmethode liefert Forschenden nun ein praktisches Werkzeug, um genau diese Frage zu beantworten.
Zertifizierung von nicht simulierbaren POVMs
„Während einige POVMs tatsächlich mehr leisten als Standardmessungen, lassen sich andere mit einfacheren Mitteln ‚simulieren‘, etwa durch Kombinationen herkömmlicher Messungen“, erklärt Raphael Brinster von der Universität Düsseldorf. Die Identifizierung von POVMs, die sich nicht durch die Verarbeitung von Standardmessungen simulieren lassen, ist daher entscheidend, um die Vorteile verallgemeinerter Messungen zu verstehen und ihr Potenzial für Quantentechnologien auszuschöpfen. Bislang war es jedoch eine große Herausforderung, zuverlässig nachzuweisen, dass eine solche Simulation ausgeschlossen ist.
Die Zusammenarbeit zwischen Düsseldorf, Lund und Innsbruck hat nun einen Algorithmus hervorgebracht und demonstriert, der diese Zertifizierung effizient ermöglicht und dafür nur eine kleine Anzahl von Messungen benötigt. Das resultierende Zertifikat garantiert, dass sich die Ergebnisse der POVM durch keine Kombination von Standardmessungen reproduzieren lassen. Entscheidend ist außerdem, dass die Zertifizierung nicht nur theoretisch funktioniert: Wie das Team an einem Quantencomputer in Innsbruck zeigte, ist sie robust genug, um experimentellen Fehlern standzuhalten und dennoch nicht simulierbare Messungen zuverlässig zu bestätigen.
Ermöglicht durch ein neues Paradigma des Quantencomputings
Die praktische Umsetzung von POVMs auf einem Quantencomputer ist anspruchsvoll, da sie mehr Messergebnisse liefern können als die zwei möglichen Ausgänge eines einzelnen Qubits. Die Implementierung und Zertifizierung solcher Messungen wurden erst durch eine neuartige Quantencomputerplattform der Universität Innsbruck möglich, die über das binäre Qubit-Konzept hinausgeht und mit Quantensystemen beliebiger Dimension arbeitet.
Diese sogenannten Qudits versprechen nicht nur eine effizientere Verarbeitung von Quanteninformation, sondern ermöglichen auch neue Ansätze und Verfahren, die mit Qubits allein nicht realisierbar sind. „Diese Ergebnisse zeigen, dass der Einsatz von Qudits – selbst wenn sie nur zur Unterstützung von Messungen verwendet werden – den Nutzen von Quantentechnologien erheblich steigern kann“, sagt Martin Ringbauer, Leiter des Innsbrucker Forscherteams.
Dieses Forschungsprojekt wurde, unter anderem, finanziert vom Österreichischen Wissenschaftsfonds (FWF), dem Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft und Forschung, der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft (FFG), der Europäische Union, dem schwedischen Forschungsrat und der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG).
Publikation: Robust Certification of Non-Projective Measurements: Theory and Experiment. Raphael Brinster, Peter Tirler, Sishir Khandelwal, Michael Meth, Hermann Kampermann, Dagmar Bruß, Rainer Blatt, Martin Ringbauer, Armin Tavakoli & Nikolai Wyderka. PRX Quantum (2026) DOI: 10.1103/nsjr-vnmg [arXiv:2511.04446]