Optischer Effekt bringt Quantencomputing mit atomaren Qubits in eine neue Dimension

Darmstädter Physiker haben eine Technik entwickelt, die eine der größten Hürden beim Bau eines praxistauglichen Quantencomputers überwinden könnte. Dabei machen sie sich einen optischen Effekt zunutze, den der britische Fotopionier William Talbot 1836 entdeckte. Das Team um Malte Schlosser und Gerhard Birkl vom Institut für Angewandte Physik der Technischen Universität Darmstadt stellt diesen Erfolg in der Zeitschrift vor Briefe zur körperlichen Untersuchung.

Quantencomputer sind in der Lage, bestimmte Aufgaben sogar viel schneller zu lösen als Supercomputer. Bisher gab es jedoch nur Prototypen mit maximal einigen hundert „Qubits“. Dies sind die grundlegenden Informationseinheiten im Quantencomputing, die den „Bits“ im klassischen Computing entsprechen. Allerdings können Qubits im Gegensatz zu Bits die beiden Werte „0“ oder „1“ gleichzeitig statt nacheinander verarbeiten, was es Quantencomputern ermöglicht, sehr viele Berechnungen parallel durchzuführen.

Für praktische Anwendungen, etwa zur Optimierung komplexer Verkehrsflüsse, wären Quantencomputer mit vielen Tausend, wenn nicht mehreren Millionen Qubits erforderlich. Das Hinzufügen von Qubits verbraucht jedoch Ressourcen, beispielsweise Laserleistung, was die Entwicklung von Quantencomputern bisher behindert. Das Darmstädter Team hat nun gezeigt, wie der optische Talbot-Effekt genutzt werden kann, um die Zahl der Qubits von mehreren Hundert auf über zehntausend zu erhöhen, ohne anteilig zusätzliche Ressourcen zu benötigen.

Qubits können auf unterschiedliche Weise realisiert werden. Tech-Giganten wie Google beispielsweise nutzen künstlich hergestellte supraleitende Schaltkreiselemente. Aber auch einzelne Atome eignen sich hervorragend für diesen Zweck. Um diese gezielt steuern zu können, müssen einatomige Qubits in einem regelmäßigen Gitter gehalten werden, ähnlich einem Schachbrett.

Physiker nutzen hierfür üblicherweise ein „optisches Gitter“ aus regelmäßig angeordneten Lichtpunkten, das entsteht, wenn sich Laserstrahlen kreuzen. „Will man die Zahl der Qubits um einen bestimmten Faktor erhöhen, muss man auch die Laserleistung entsprechend erhöhen“, erklärt Birkl.

Sein Team stellt das optische Gitter auf innovative Weise her. Sie strahlen einen Laser auf ein fingernagelgroßes Glaselement, auf dem winzige optische Linsen ähnlich einem Schachbrett angeordnet sind. Jede Mikrolinse bündelt einen kleinen Teil des Laserstrahls und erzeugt so eine Ebene aus Brennpunkten, die Atome aufnehmen kann.

Jetzt tritt darüber hinaus der Talbot-Effekt auf, der bisher als störend empfunden wurde: Die Schicht der Brennpunkte wiederholt sich mehrfach in gleichen Abständen; Es entstehen sogenannte „Selbstbilder“. Daher wird ein optisches Gitter in 2D zu einem in 3D mit einem Vielfachen an Lichtpunkten. „Das bekommen wir kostenlos“, sagt Malte Schlosser, der Hauptautor des Werks. Er meint, dass hierfür keine zusätzliche Laserleistung erforderlich ist.

Die hohe Fertigungspräzision von Mikrolinsen führt zu sehr regelmäßig angeordneten Selbstbildern, die für Qubits genutzt werden können. Den Forschern gelang es tatsächlich, die zusätzlichen Schichten mit einzelnen Atomen zu beladen. Mit der gegebenen Laserleistung entstanden 16 solcher freien Schichten, die möglicherweise mehr als 10.000 Qubits ermöglichen. Mit konventionellen Lasern lässt sich die Leistung künftig vervierfachen, so Schlosser.

„Außerdem lässt sich das Mikrolinsenfeld noch weiter optimieren“, erklärt Birkl, etwa indem mit kleineren Linsen mehr Brennpunkte geschaffen werden. 100.000 Qubits und mehr werden daher in absehbarer Zeit möglich sein. Die vom Team gezeigte Skalierbarkeit der Anzahl der Qubits stellt einen wichtigen Schritt auf dem Weg zur Entwicklung praxistauglicher Quantencomputer dar.

Schlosser betont, dass die Technologie nicht auf Quantencomputer beschränkt sei. „Unsere Plattform könnte möglicherweise auch auf hochpräzise optische Atomuhren anwendbar sein.“ Das Darmstädter Team plant die Weiterentwicklung seiner neuen Qubit-Plattform und sieht vielfältige Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Quantentechnologien.