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Robustere Quantenbits

Informationen länger gespeichert / Ionenpaare als Träger

Von Rainer Scharf

Von einem Quantencomputer verspricht man sich, daß er bestimmte Berechnungen wesentlich schneller ausführen und große Datenmengen effektiver durchsuchen kann als ein herkömmlicher Computer. Statt Bits verwendet er Quantenbits - Überlagerungen von Quantenzuständen, wie sie zum Beispiel Atome einnehmen können. Noch scheitert die Verwirklichung eines leistungsfähigen Quantencomputers mit Hunderten von "Qubits" daran, daß diese viel störungsanfälliger sind als klassische Bits. Kürzlich haben Forscher in den Vereinigten Staaten sie so auf Atompaare übertragen, daß sie mindestens zehnmal so lange störenden Einflüssen standhalten konnten als bei der Speicherung in einzelnen Atomen.

Für ihre Experimente haben die Forscher vom National Institute of Standards and Technology in Boulder/Colorado unter Leitung von David Wineland Berylliumionen verwendet, die paarweise in einer Falle von elektromagnetischen Feldern festgehalten wurden. Zwei bestimmte Anregungszustände des Berylliums wurden ausgewählt, die Qubits zu speichern. Die Zustände unterschieden sich nur geringfügig in ihrer Energie. Mit Laserlicht konnten die Forscher bei jedem der beiden Ionen eine gewünschte quantenmechanische Überlagerung dieser beiden Anregungszustände herbeiführen. Dann trug das jeweilige Ion ein Qubit. Doch äußere Einflüsse wie schwache Magnetfelder führten dazu, daß die beiden Zustände unabhängig voneinander wurden. Die anfangs aufeinander abgestimmten Zustände wurden "dekohärent", und das in ihrer Überlagerung gespeicherte Qubit ging unwiederbringlich verloren.

Um dies zu verhindern, brachten die Wissenschaftler das Ionenpaar in eine sogenannte dekohärenzfreie Überlagerung der beiden Anregungszustände. Dadurch konnten sich die Wirkungen bestimmter Umwelteinflüsse auf den Zustand des Ionenpaares gegenseitig aufheben. Die beiden Ionen wurden so präpariert, daß sie sich in unterschiedlichen Anregungszuständen befanden, wobei es quantenmechanisch unbestimmt blieb, welches der Ionen welchen der beiden Anregungszustände annahm. In dieser Verschränkung von Zuständen wurde das Qubit nicht mehr von einem einzelnen Ion getragen, sondern vom Ionenpaar. Äußere Einflüsse führten zwar weiterhin dazu, daß die beiden Anregungszustände der Ionen unabhängig voneinander wurden. Doch Berechnungen hatten gezeigt, daß dies auf den Zustand des Ionenpaares und auf das in ihm gespeicherte Qubit nur einen geringen Einfluß haben sollte.

Wie die Forscher in "Sciencexpress" berichten (>> Science), konnten sie diese Vorhersage experimentell bestätigen. Sie störten die Ionen, indem sie die Partikeln für kurze Zeit mit Laserlicht bestrahlten, dessen Intensität stark und unvorhersehbar schwankte. Während einzelne Ionen ein gespeichertes Qubit schon nach wenigen millionstel Sekunden verloren hatten, konnte das Qubit aus dem Ionenpaar noch nach fast hundertmal so langer Zeit wieder ausgelesen werden. Und auch gegen unvermeidliche natürliche Störungen war das Qubit im Ionenpaar mindestens zehnmal so gut geschützt wie in einem einzelnen Ion. Auf dem langen Weg zum Quantencomputer hat man also eine weitere Hürde genommen. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 14.02.2001, Nr. 38 / Seite N4

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