Flinke Boten für Quantennachrichten

Transfer von Zuständen: Licht und elektrische Bauteile im regen Informationsaustausch

Von Rainer Scharf

Selbst die modernsten Computer arbeiten nach wie vor nach den Gesetzen der klassischen Physik. Das soll bei einem Quantencomputer einmal anders werden. Diese Rechenmaschine, deren Realisierung noch in ferner Zukunft liegt, basiert ausschließlich auf den Prinzipien der Quantenphysik. Statt mit klassischen Bits, die nur die Werte „0“ oder „1“ haben, wird sie mit sogenannten Quantenbits oder Qubits arbeiten, die beide Zustände gleichzeitig annehmen können. Dank dieser „Bewusstseinsspaltung“ könnte ein Quantencomputer aus hundert Quantenbits so viel leisten wie ein herkömmlicher Elektronenrechner mit 2100 Bits. Quantenbits sind schon mit einzelnen Atomen und Ionen, die sich in zwei Zuständen gleichzeitig befanden, verwirklicht und mit Photonen von einem Teilchen zum anderen übertragen worden. Damit sind wichtige Voraussetzungen für einen funktionierenden Quantencomputer geschaffen worden - zumindest auf der Grundlage von Atomen. Jetzt haben zwei amerikanische Forschergruppen gezeigt, dass sich Quantenbits auch mit Hilfe elektrischer Bauelemente speichern und übertragen lassen.

Die Forscher um Raymond Simmonds vom National Institute of Standards and Technology in Boulder (Colorado) verwendeten als Träger der Quantenbits zwei spezielle supraleitende Leiterschleifen auf einem Mikrochip, die von einem quantisierten Magnetfeld umgeben waren. Kühlte man das System bis nahe an den absoluten Nullpunkt, floss darin - ohne jeglichen Widerstand - ein elektrischer Strom, der aus Paaren von Leitungselektronen bestand. Robert Schoelkopf und seine Kollegen von der Yale University in New Haven arbeiteten mit nanometergroßen Quantenpunkten aus supraleitendem Aluminium, auf denen Elektronenpaare saßen. Sowohl die Leiterschleifen als auch die Quantenpunkte wiesen ähnlich wie normale Atome Zustände verschiedener Energie auf, so dass die Forscher ihre elektronischen Bauelemente auch als künstliche Atome bezeichnen. Beide „Atome“ konnten - angeregt mit wohldosierten Mikrowellenpulsen - gleichzeitig im Grundzustand (Zustand „0“) oder im angeregten Zustand (Zustand „1“) sein und somit ein Quantenbit tragen.

Um ein Qubit eines angeregten künstlichen Atoms auf ein nicht angeregtes übertragen zu können, verbanden beide Forschergruppen ihre Quantenobjekte - die einen Abstand von wenigen Millimetern hatten - mit dünnen, supraleitenden Drähten. Diese wirkten wie winzige Resonatoren und konnten Mikrowellenphotonen aufnehmen, für kurze Zeit speichern und wieder abgeben. So weit die Gemeinsamkeiten beider Forschergruppen. Bei der Übermittlung der Qubits gingen sie unterschiedlich vor.

Wie Simmonds und seine Kollegen in der Zeitschrift „Nature“ (Bd. 449, S. 438) berichten, lief ihr Übertragungsprozess in mehreren Schritten ab. Zunächst waren die beiden supraleitenden Leiterschleifen so gegeneinander und gegen den Mikrowellenresonator in ihrer Mitte verstimmt, dass sie keine Energie und somit auch keine Qubits austauschen konnten. Dann wurde die angeregte Leiterschleife, die sich gleichzeitig in den Zuständen „0“ und „1“ befand, mit dem Draht in Resonanz gebracht, woraufhin dieses künstliche Atom ein Photon abstrahlte. Dabei war das Qubit von der Leiterschleife auf das Lichtteilchen übergegangen. Anschließend wurde die Leiterschleife wieder verstimmt, und das Photon war für einige Nanosekunden im Resonator gefangen.

Als man dann die zweite Leiterschleife, die sich im Zustand „0“ befand, nun ihrerseits auf den Resonator abstimmte, nahm sie das Photon und damit auch das Qubit der ersten Leiterschleife auf. Damit das Photon nicht wieder abgestrahlt werden konnte, verstimmten die Forscher das zweite künstliche Atom ebenfalls. Schließlich ermittelten sie die Zustände der beiden Leiterschleifen. Diese Prozedur wiederholten Simmonds und seine Kollegen viele Male, so dass sie sichergehen konnten, dass die Qubits zuverlässig übertragen worden waren.

Die Gruppe um Robert Schoelkopf sorgte bei ihren Experimenten ebenfalls dafür, dass zunächst alle Komponenten ihres Systems gegeneinander verstimmt waren. Mit kurzen Mikrowellenpulsen wurden dann nur die beiden Quantenpunkte aufeinander abgestimmt, nicht aber der Resonator. Dadurch war der angeregte Quantenpunkt nicht in der Lage, ein Photon direkt auf den Resonator zu übertragen. Er konnte aber seine Energie über ein sogenanntes virtuelles Photon direkt an den anderen Quantenpunkt weitergeben. Durch solche normalerweise nicht beobachtbaren Lichtteilchen werden für kurze Zeit physikalische Vorgänge möglich, bei denen der Satz der Energieerhaltung normalerweise verletzt würde. Wie die Forscher um Schoelkopf in der gleichen Ausgabe der Zeitschrift „Nature“ (S. 443) berichten, konnten die Qubits auch auf diesem ungewöhnlichen Weg zuverlässig übertragen werden.

Leiterschleifen und Quantenpunkte als Träger von Quantenbits zu verwenden hätte den Vorteil, dass sich auf einem Chip eine große Zahl von Objekten unterbringen ließe, die man als Bausteine für einen Quantencomputer verwenden könnte. Dabei ließen sich die Möglichkeiten der Halbleitertechnik bei der Miniaturisierung und Fertigung der Chips nutzen.

Die Experimente in Boulder haben zudem gezeigt, dass Qubits mit Medien wie Photonen, die sich in einem Resonator befinden, deutlich länger gespeichert werden können, als es mit supraleitenden Bauelementen möglich ist. Letztere sind vielen störenden Umwelteinflüssen ausgesetzt, durch die Quanteninformationen innerhalb von Mikrosekunden vernichtet werden. Nutzt man dagegen Lichtteilchen als Träger von Quantenbits, bleiben diese hundertmal so lang erhalten.

Ein leistungsfähiger Quantencomputer, der auf supraleitende Leiterschleifen und Quantenpunkten beruht, müsste seine Rechenoperationen in weniger als einer tausendstel Sekunde abgeschlossen haben, wovon man noch weit entfernt ist. Hier haben Atome und Ionen, die geschützt von störenden Umwelteinflüssen in einer Teilchenfalle in der Schwebe gehalten werden, als Medium für Quantenbits deutliche Vorteile.

Text: F.A.Z., 02.10.2007, Nr. 229 / Seite N2