Quantencomputer gelten als Rechner der Zukunft. Doch um sie zu realisieren, braucht man möglichst viele, miteinander verschränkte Teilchen – die Quantenbits. Jetzt ist es Physikern gelungen, ein solches System der Vielteilchenverschränkung aus 20 Quantenbits zu erzeugen. Wie sie berichten, ist dies das bisher größte, verschränkte Quantenregister individuell kontrollierbarer Quantenbits. Das könnte neue Möglichkeiten für Quantencomputer und andere Quantenanwendungen eröffnen.
Im Reich der kleinsten Teilchen existieren Phänomene, die in der klassischen Physik unmöglich wären. Eines davon ist die Verschränkung: Die Zustände von zwei Teilchen sind dabei so miteinander gekoppelt, dass der Zustandswechsel des einen automatisch den des Partners verursacht – und dies selbst dann, wenn beide Teilchen hunderte Kilometer voneinander entfernt sind. Ein weiteres Phänomen der Quantenphysik ist die Überlagerung: Ein Teilchen kann alle möglichen Zustände gleichzeitig einnehmen und “entscheidet” sich erst für einen, wenn sein Zustand gemessen wird. Das Spannende daran: Nutzt man Quantenteilchen als Bits, ermöglicht die Kombination beider Phänomene massiv paralleles Rechnen. Ein Quantencomputer kann dadurch unzählige Aufgaben gleichzeitig abarbeiten – je mehr Quantenbits er umfasst, desto leistungsfähiger ist er. Bisher allerdings haben Forscher nur Quantencomputer mit wenigen Qubits konstruiert, meist in Form von einzelnen Atomen oder Ionen.
Vielteilchenverschränkung von 20 Quantenbits
Physiker in aller Welt arbeiten daher daran, verschränkte Systeme mit immer mehr Quantenbits zu realisieren. Das Problem: Besonders schwierig wird es, Verschränkung nachzuweisen und zu kontrollieren, wenn zahlreiche Teilchen im Spiel sind. Ziel der Physiker ist es dabei, eine echte Vielteilchenverschränkung zu erreichen – und damit einen Gesamtzustand des Qubit-Systems, der nicht nur die Summe von Verschränkungen einzelner Quantenbits ist. Hinzu kommt: “Es gibt zwar Quantensysteme wie ultrakalte Gase, in denen Verschränkung zwischen einer großen Zahl von Teilchen nachgewiesen wurde”, erklärt Erstautor Nicolai Friis vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Universität Wien. Aber diese Quantenbits ließen sich nicht einzeln kontrollieren oder auslesen.
Jetzt haben Friis und seine Kollegen es geschafft, das bisher größte komplett kontrollierbare Vielteilchensystem zu erzeugen. Es besteht aus 20 Quantenbits, für die die Forscher eine Vielteilchenverschränkung zwischen allen benachbarten Gruppen von drei, vier und fünf Quantenbits nachweisen konnten. Das System besteht aus 20 Kalziumatomen, die in einer Ionenfalle gehalten werden. Mithilfe von Laserlicht brachten die Forscher die Atome in einen Zustand der Verschränkung. “Die Teilchen werden zunächst paarweise verschränkt, berichtet Co-Autor Ben Lanyon vom IQOQI. “Mit den von unseren Kollegen in Wien und Ulm entwickelten Methoden können wir dann die weitere Ausbreitung der Verschränkung auf alle benachbarten Teilchendrillinge, die meisten Vierlinge und einige Fünflinge nachweisen.
Komplexer Nachweis
Diese Vielteilchenverschränkung im fertigen Quantensystem nachzuweisen, war allerdings nicht einfach. “Wir mussten einen Weg finden, mit einer kleinen Anzahl von durchführbaren Messeinstellungen Vielteilchenverschränkung nachzuweisen”, erklärt Friis. Gelungen ist ihm und seinen Kollegen dies in einer Art Arbeitsteilung: Das Team am IQOQI nutzte eine Methode, die nur wenige Messungen erfordert und deren Ergebnisse sich leicht auswerten lassen. Damit konnte im Experiment die Verschränkung von jeweils drei Teilchen nachgewiesen werden. Ein zweites Team verwendete eine komplexere Technik, die auf numerischen Methoden beruht. “Diese Technik ist zwar effizient, stößt aber aufgrund des mit der Zahl der Quantenbits stark steigenden Rechenaufwands auch an ihre Grenzen”, sagt Oliver Marty von der Universität Ulm. “Deshalb war auch mit dieser Methode beim Nachweis von echter Fünfteilchenverschränkung Schluss.”
Die Kombination beider Methoden brachte den Erfolg: “Das Experiment ist in der Lage, jedes einzelne Quantenbit individuell anzusprechen und auszulesen”, sagt Friis. Das verschränkte System von Quantenbits könnte sich für konkrete Anwendungen wie Quantensimulationen oder Quanteninformationsverarbeitung eignen. Dafür will das Team die Zahl der Quantenbits im Experiment weiter steigern. “Unser mittelfristiges Ziel liegt bei 50 Teilchen”, sagt Co-Autor Rainer Blatt vom IQOQI. “Damit könnten wir Aufgaben lösen, an denen die besten Supercomputer heute noch scheitern.” Aber auch die von ihnen entwickelten Methoden zum Nachweis der Quantenverschränkung werden breitere Anwendung finden, sind die Physiker überzeugt.
Quelle: Nicolai Friis (Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI), Wien) et al., Physical Review X, doi: 10.1103/PhysRevX.8.021012
An der Grenze des Periodensystems
