Effizientere optische Quantengatter

Zukünftige Quantencomputer sollen nicht nur besonders knifflige Rechenaufgaben lösen, sondern auch für den sicheren Datenaustausch an ein Netzwerk angeschlossen werden. Prinzipiell könnten für diese Zwecke Quantengatter verwendet werden. Sie konnten bisher jedoch nicht mit ausreichender Effizienz realisiert werden. Durch eine ausgeklügelte Kombination mehrerer Techniken ist Forschern des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) nun ein großer Schritt zur Überwindung dieser Hürde gelungen.

Seit Jahrzehnten werden Computer mit jeder neuen Generation schneller und leistungsfähiger. Diese Entwicklung ermöglicht es, immer neue Anwendungen zu erschließen, beispielsweise in Systemen mit künstlicher Intelligenz. Doch weitere Fortschritte lassen sich mit etablierter Computertechnik immer schwerer erreichen. Aus diesem Grund haben Forscher nun alternative, völlig neue Konzepte ins Visier genommen, die in Zukunft für einige besonders schwierige Rechenaufgaben eingesetzt werden könnten. Zu diesen Konzepten gehören Quantencomputer.

Ihre Funktion beruht nicht wie bei herkömmlichen, mikroelektronischen Computern auf der Kombination von digitalen Nullen und Einsen – den klassischen Bits. Stattdessen verwendet ein Quantencomputer Quantenbits, kurz Qubits, als Grundeinheiten für die Codierung und Verarbeitung von Informationen. Sie sind die Gegenstücke zu Bits in der Quantenwelt – unterscheiden sich von ihnen aber in einem entscheidenden Merkmal: Qubits können nicht nur zwei feste Werte oder Zustände wie null oder eins annehmen, sondern auch beliebige Werte dazwischen. Dies bietet prinzipiell die Möglichkeit, viele Rechenvorgänge gleichzeitig durchzuführen, anstatt eine logische Operation nach der anderen abzuarbeiten.

Abhörsichere Kommunikation mit optischen Qubits

„Es gibt verschiedene Möglichkeiten, das Konzept der Qubits physikalisch umzusetzen“, sagt Thomas Stolz, der am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Garching an den Grundlagen von Quantencomputern forscht. „Eines davon sind optische Photonen.“ Und auch Stolz und seine Kollegen im Team um Dr. Stephan Dürr und MPQ-Direktor Prof. Dr. Gerhard Rempe setzten bei ihrer Forschung auf solche Lichtteilchen aus dem sichtbaren Spektralbereich. „Ein Vorteil von Photonen als Informationsträger in einem Quantencomputer ist ihre geringe Wechselwirkung untereinander und mit der Umwelt“, erklärt Stolz. „So wird verhindert, dass die für die Existenz von Qubits notwendige Kohärenz durch äußere Störungen schnell zerstört wird.“ Außerdem können Photonen über weite Strecken transportiert werden, beispielsweise in einer Glasfaser. „Das macht sie zu einem besonders aussichtsreichen Kandidaten für den Aufbau von Quantennetzen“, sagt Stolz: Verbindungen mehrerer Quantencomputer, über die verschlüsselte Daten bedingungslos sicher übertragen werden können – und zuverlässig vor Abhörversuchen geschützt.

Die Grundbausteine ​​eines Quantencomputers – und damit auch eines Quantennetzwerks – sind Quantengatter. Sie entsprechen in ihrer Funktionsweise den in herkömmlichen Rechenmaschinen verwendeten Logikgattern, sind aber auf die speziellen Eigenschaften von Qubits zugeschnitten. „Quantengatter für Qubits, die in gefangenen Ionen oder supraleitenden Materialien implementiert sind, sind derzeit technisch am weitesten fortgeschritten“, erklärt Stephan Dürr. „Ein solches Element mit Photonen zu realisieren, ist jedoch viel schwieriger.“ Denn in diesem Fall schlägt der Vorteil schwacher Wechselwirkungen in einen handfesten Nachteil um. Denn um Informationen verarbeiten zu können, müssen sich die Lichtteilchen gegenseitig beeinflussen können. Wie das effektiv gelingen kann, zeigen die Forscher des MPQ in einem Paper, das jetzt im Open-Access-Journal veröffentlicht wurde Körperliche Überprüfung X.

Bisherige Versuche, Quantengatter zu realisieren, die zwei Photonen miteinander verknüpfen, waren nur teilweise erfolgreich. Sie litten vor allem unter ihrem geringen Wirkungsgrad von bestenfalls 11 %. Dadurch geht ein großer Teil der Lichtteilchen und damit auch der Daten bei der Verarbeitung im Quantensystem verloren – ein Manko insbesondere dann, wenn zahlreiche Quantengatter in einem Quantennetzwerk hintereinander geschaltet werden sollen und sich die Verluste summieren Ergebnis. „Dagegen ist es uns erstmals gelungen, ein optisches Zwei-Qubit-Gate mit einem durchschnittlichen Wirkungsgrad von mehr als 40 Prozent zu realisieren“, berichtet Stephan Dürr – fast das Vierfache des bisherigen Rekords.

Ultrakalte Atome in einem Resonator

„Grundlage für diesen Erfolg war der Einsatz nichtlinearer Komponenten“, erklärt Stolz. Sie sind in einer neuartigen Versuchsplattform enthalten, die das Team am MPQ eigens für das Experiment entwickelt und im Labor installiert hat. Dabei konnten die Forscher auf ihre Erfahrungen aus früheren Arbeiten aufbauen, die sie 2016 und 2019 veröffentlicht hatten. Eine Erkenntnis daraus war, dass es für die Informationsverarbeitung mit Photonen sinnvoll ist, ein kaltes, atomares Gas zu verwenden, in dem sich wenige Atome befinden sind energetisch hocherregt. „Die Atome vermitteln die notwendige Wechselwirkung zwischen den Photonen“, erklärt Stolz. „Allerdings haben bisherige Arbeiten auch gezeigt, dass die Dichte der Atome nicht zu hoch sein darf, da sonst die verschlüsselte Information durch Kollisionen zwischen den Atomen schnell gelöscht wird.“ Deshalb nutzten die Forscher nun ein atomares Gas mit geringer Dichte, das sie auf eine Temperatur von 0,5 Mikrokelvin herunterkühlten – ein halbes Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt bei minus 273,15 Grad Celsius. „Als zusätzlichen Verstärker für die Wechselwirkung zwischen den Photonen platzierten wir die ultrakalten Atome zwischen den Spiegeln eines optischen Resonators“, berichtet Stolz.

Dies führte zum Erfolg des Experiments, bei dem das Quantengatter die optischen Qubits in zwei Schritten verarbeitete: Ein erstes Photon, Kontrollphoton genannt, wurde in den Resonator eingebracht und dort gespeichert. Dann trat ein zweites Photon, Zielphoton genannt, in den Aufbau ein und wurde von den Resonatorspiegeln reflektiert – „der Moment, in dem die Wechselwirkung stattfand“, betont Stolz. Schließlich verließen beide Photonen das Quantengatter – zusammen mit der ihnen eingeprägten Information. Damit das funktioniert, bedienten sich die Physiker eines anderen Tricks. Diese basiert auf Elektronenanregungen der Gasatome auf sehr energiereiche Niveaus, sogenannte Rydberg-Zustände. „Dadurch dehnt sich das angeregte Atom – im klassischen Bild – enorm aus“, erklärt Stolz. Es erreicht einen Radius von bis zu einem Mikrometer – mehrere tausend Mal so groß wie die normale Größe des Atoms. Die so aufgeblähten Atome im Resonator ermöglichen es dann, dass die Photonen ausreichend stark aufeinander einwirken. Dies bewirkt jedoch zunächst nur eine Phasenverschiebung. Außerdem wird das Licht in verschiedene Pfade aufgeteilt, die sich später überlagern. Erst die quantenmechanische Interferenz bei dieser Überlagerung macht aus der Phasenverschiebung ein Quantengatter.

Das Ziel: Skalierbare Quantensysteme

Dem Experiment ging eine ausführliche theoretische Analyse voraus. Das MPQ-Team hatte eigens ein umfassendes theoretisches Modell entwickelt, um den Designprozess der neuen Forschungsplattform zu optimieren. Weitere theoretische Untersuchungen zeigen Wege auf, wie die Forscher die Effizienz ihres optischen Quantengatters in Zukunft verbessern wollen. Außerdem wollen sie herausfinden, wie sich das Quantengatter auf größere Systeme skalieren lässt – durch die gleichzeitige Verarbeitung zahlreicher Qubits. „Unsere bisherigen Experimente haben bereits gezeigt, dass dies prinzipiell möglich ist“, sagt Gerhard Rempe, Leiter der Gruppe. Er ist überzeugt: „Unsere neuen Erkenntnisse werden bei der Entwicklung von lichtbasierten Quantencomputern und Quantennetzwerken von großem Nutzen sein.“