13-10-2004

Quantenregister aus fünf Atomen

Wie ein leistungsfähiges Gedächtnis für den Quantencomputer aussehen könnte, haben jetzt Physiker der Uni Bonn gezeigt.

Herkömmliche Computer speichern und verarbeiten ihre Daten als Bits, die den Wert 0 oder 1 haben. Der Quantencomputer hingegen benutzt Qubits, die aus der (kohärenten) Überlagerung von zwei Quantenzuständen |0> und |1> bestehen. Dadurch potenzieren sich seine Rechenmöglichkeiten ganz erheblich. So wird ein Quantencomputer, der einige Hundert Qubits verarbeiten kann, bei der Primfaktorenzerlegung großer Zahlen oder bei der Durchsuchung riesiger Datenbanken jedem herkömmlichen Elektronenrechner turmhoch überlegen sein. Doch das setzt voraus, dass man die Qubits solange von störenden Umwelteinflüssen abschirmen kann, bis die Berechnungen abgeschlossen sind.

Besonders gut kann man die Qubits dadurch abschirmen, dass man sie auf die elektronischen Zustände einzelner, in Fallen festgehaltener Ionen oder Atome schreibt. Einzelne Ionen lassen sich zwar leichter festhalten als neutrale Atome. Doch bei einer großen Zahl von Ionen auf engem Raum macht sich die elektrostatische Abstoßung störend bemerkbar. Deshalb ist man dazu übergegangen, neutrale Atome als Speichermedium für Qubits zu benutzen. Ähnlich einem herkömmlichen Rechner besteht ein Quantencomputer im Wesentlichen aus zwei Komponenten: einem Quantenregister, das die Eingangsdaten aufnimmt, Zwischenergebnisse speichert und schließlich das Resultat enthält; und einem Quantengatter, das die Berechnungen schrittweise durchführt, indem es ein oder mehrere Qubits gezielt verändert oder aufeinander einwirken lässt.

Ein Quantenregister aus fünf elektrisch neutralen Zäsiumatomen, das fünf Qubits aufnehmen kann, haben jetzt Dominik Schrader und seine Kollegen aus der Arbeitsgruppe von Dieter Meschede hergestellt und getestet. Die Speicherkapazität dieses Quantenregisters ließe sich mit Hilfe von zusätzlichen Atomen auf Hunderte Qubits erweitern. Die einzelnen Qubits konnten gezielt in den jeweils gewünschten quantenmechanischen Anfangszustand gebracht und in ihm fast eine Millisekunde lang gehalten werden. Diese Zeit würde ausreichen, um Hunderte von Rechenschritten mit den gespeicherten Qubits durchzuführen.

Aus fünf mach zwei: Die fünf Zäsiumatome im Quantenregister werden aus dem Zustand |00000> in den Zustand |01010> gebracht, der anschließend ausgelesen wird. (Quelle: Dieter Meschede, Uni Bonn)

Die Atome wurden zunächst in einer magneto-optischen Falle festgehalten. Anhand der Intensität des Fluoreszenzlichtes, das die Atome abstrahlten, konnten die Forscher genau abzählen, wie viele Atome in der Falle saßen. Sobald sie die gewünschte Zahl von Atomen beisammen hatten, schalteten sie diese Falle ab und übergaben die Atome an eine optische Dipolfalle. Diese Falle bestand aus einer stehenden Lichtwelle, die von zwei gegenläufigen Strahlen eines Nd:YAG-Lasers erzeugt wurde. Die Lichtwellenlänge betrug 1064 nm und war so gewählt, dass die Atome in die Intensitätmaxima der stehenden Lichtwelle wanderten und dort festgehalten wurden. Um die Atome gleichmäßig über die stehende Welle zu verteilen, schalteten Schrader und seine Kollegen einen der beiden Laserstrahlen für eine Millisekunde ab, sodass sich die Atome für kurze Zeit frei bewegen konnten, bevor sie wieder in den Intensitätsmaxima gefangen waren.

Anschließend wurden die Atome zusätzlich mit Laserlicht bestrahlt, das ihre Wärmebewegung dämpfte und sie abkühlte. Anhand ihres Fluoreszenzleuchtens ließ sich die Position der einzelnen Atome in der Dipolfalle bestimmen. Dazu fingen die Bonner Forscher das Fluoreszenzlicht mit einer CCD-Kamera auf und werteten die Signale im Computer aus. So fanden sie z. B. in einem ihrer Experimente fünf Atome in der Dipolfalle, die in einer Reihe saßen wie Perlen auf einer Schnur und einen Abstand von etwa 10 Mikrometer hatten. Damit war der Speicher für fünf Qubits bereit. Als Quantenzustände |0> und |1> für das einzelne Qubit wählten die Forscher zwei Hyperfeingrundzustände des Zäsiums. Durch einen Mikrowellenpuls von abgestimmter Dauer und Schwingungsfrequenz ließen sich die Zäsiumatome von einem der beiden Zustände gezielt in den anderen bringen oder eine beliebige Überlagerung von beiden Zuständen herstellen. Allerdings waren die fünf Atome zu dicht beieinander, um sie auf diese Weise in unterschiedliche Zustände bringen zu können, wie das für ein Quantenregister nötig ist.

Um die Atome einzeln ansprechen zu können, brachten die Forscher sie in ein ortsabhängiges Magnetfeld und nutzten den Zeeman-Effekt aus. Das Magnetfeld veränderte die Energiedifferenz zwischen den beiden Hyperfeinzuständen des Zäsiumatoms, und zwar abhängig von dem Ort, an dem sich das Atom befand. Da die Position der einzelnen Atome bekannt war, ließ sich berechnen, welche Schwingungsfrequenz der Mikrowellenpuls haben musste, um ein bestimmtes Atom – und nur dieses – von einem Hyperfeinzustand in den anderen zu bringen. Auf diese Weise gelang es, die fünf Atome, die sich anfangs im Gesamtzustand |00000> befunden hatten, in den Zustand |01010> zu bringen. Dies konnten die Forscher mit einem wohldosierten Laserpuls sichtbar machen, der die Atome im Zustand |0> aus der Falle herausschoss, während er die im Zustand |1> verschonte. So blieben nur das zweite und vierte Atom in der Falle zurück.

Es zeigte sich, dass benachbarte Atome auch dann noch gezielt in unterschiedliche Zustände gebracht werden konnten, wenn ihr Abstand nur etwa 2 Mikrometer betrug. Somit könnte man auf einer Länge von einem Millimeter mehrere Hundert Qubits in der optischen Falle speichern.

Zudem gelang es den Forschern, die fünf Qubits in beliebige quantenmechanische Überlagerungen der Zustände |0> und |1> zu bringen. Wie die Messungen ergaben, ließen sich die Atome einige Hundert Mikrosekunden in solch einem Überlagerungszustand halten, bevor sie durch ihre Wärmebewegung oder durch Schwankungen des Lichtfeldes in der Falle aus diesem Zustand geworfen wurden. Entsprechend lang ließen sich also die Qubits speichern. Da eine einfache logische Operation mit Qubits, etwa durch den Austausch eines Photons zwischen zwei Atomen, etwa 200 Nanosekunden benötigt, hätte man genügend Zeit für Hunderte solcher Operationen, bevor das Qubit zerstört wird.

Um eine Operation mit den Qubits auszuführen, muss man zwei oder drei beliebige Atome des Quantenregisters miteinander in Wechselwirkung bringen, ohne dass der Zustand der übrigen Atome davon beeinflusst wird. Dies lässt sich dadurch erreichen, dass man die entsprechenden Atome aus der optischen Falle herausholt und zu einem Prozessor transportiert, etwa mit Hilfe eines optischen Förderbandes, wie es die Bonner Forscher entwickelt haben. Dazu haben sie mit zwei Laserstrahlen gleicher Wellenlänge eine stehende Welle erzeugt, in deren Intensitätsmaxima ein Atom gefangen war. Sobald sie die Wellenlänge eines der beiden Laserstrahlen veränderten, setzte sich die Welle in Bewegung und das auf ihr sitzende Atom wurde in eine bestimmte Richtung transportiert. Dabei blieb sein Quantenzustand erhalten, und das in ihm gespeicherte Qubit ließ sich über Entfernungen von 10 Millimetern transportierten. Am Prozessor oder Quantengatter angekommen, könnten die Atome in Wechselwirkung gebracht und die in ihnen gespeicherten Qubits gezielt verändert werden. Dominik Schrader und seine Kollegen hoffen, in zwei Jahren solch ein Quantengatter bauen zu können. Dann hätte man alle Komponenten für einen Quantencomputer beisammen.

Rainer Scharf

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