Mit 14 Quantenbits rechnen

Einen neuen Weltrekord haben Innsbrucker Quantenphysiker erzielt: Sie konnten 14 Quantenbits kontrolliert miteinander verschränken und realisieren so das größte je gebaute Quantenregister. Das Experiment ist nicht nur ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einem zukünftigen Quantencomputer, es liefert auch überraschende Erkenntnisse über das quantenmechanische Phänomen der Verschränkung.
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Bild: Bis zu 14 Quantenbits haben Innsbrucker Physiker in einer Ionenfalle miteinander verschränkt.

Der Begriff der Verschränkung wurde 1935 vom österreichischen Nobelpreisträger Erwin Schrödinger geprägt und beschreibt ein quantenmechanisches Phänomen, das im Experiment eindeutig nachgewiesen werden kann, das aber bis heute nicht gänzlich verstanden wird. Verschränkte Teilchen können nicht als einzelne Teilchen mit definierten Zuständen beschrieben werden, sondern nur als Gesamtsystem. Die Verschränkung von einzelnen Quantenbits lässt den Quantencomputer bestimmte Probleme wesentlich schneller lösen als klassische Computer. „Besonders schwierig wird es, Verschränkung zu verstehen, wenn zahlreiche Teilchen im Spiel sind“, sagt Thomas Monz, Nachwuchsforscher im Team von Rainer Blatt am Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck. „Unsere Experimente mit vielen Teilchen verschaffen uns hier neue Einblicke“, ergänzt Blatt.

Weltrekord: 14 Quantenbits

Die Physiker um Rainer Blatt halten seit 2005 den Rekord für die Anzahl von verschränkten Quantenbits, die in einem Experiment realisiert wurden. Bis heute ist es niemand anderem gelungen, acht Teilchen auf kontrollierte Art und Weise zu verschränken und damit ein „Quantenbyte“ zu erzeugen. Nun haben die Innsbrucker Wissenschaftler diesen Rekord noch einmal beinahe verdoppelt. In einer Ionenfalle haben sie 14 Kalziumatome gefangen, welche sie, einem Quantenprozessor gleich, mit Laserlicht manipulieren. Interne Zustände jedes Atoms bilden dabei einzelne Quantenbits, zusammen entsteht ein Quantenregister mit 14 Recheneinheiten. Dieses bildet das Herzstück eines zukünftigen Quantencomputers. Die Physiker der Universität Innsbruck stellten aber auch fest, dass bei ihnen die Störungsempfindlichkeit nicht wie meist angenommen linear sondern mit der Anzahl der Teilchen quadratisch zunimmt. Werden mehrere Teilchen verschränkt, steigt die Empfindlichkeit deshalb stark an. „Dies wird als Superdekohärenz bezeichnet“, sagt Thomas Monz. „In der Quanteninformation wurde dieses Phänomen bisher kaum wahrgenommen.“ Es hat nicht nur für den Bau von Quantencomputern Bedeutung, sondern auch bei der Konstruktion sehr genauer Atomuhren oder für Quantensimulationen.

Zahl der verschränkten Teilchen ausbauen

Die Experimentalphysiker in den Innsbrucker Labors schaffen es mittlerweile, bis zu 64 Teilchen in Ionenfallen zu fangen. „Noch können wir diese große Zahl von Ionen nicht verschränken“, sagt Thomas Monz. „Die aktuellen Ergebnisse ermöglichen nun aber ein besseres Verständnis über das Verhalten von vielen verschränkten Teilchen.“ So können vielleicht schon bald noch mehr Teilchen miteinander verschränkt werden.
Vor wenigen Wochen haben die Forscher um Rainer Blatt in der Fachzeitschrift Nature außerdem erstmals gezeigt, dass Ionen auch mittels elektromagnetischer Kopplung verschränkt werden könnten. So lassen sich viele kleine Quantenregister auf einem Mikrochip effizient miteinander verknüpfen. „Dies sind alles wichtige Schritte auf dem Weg zu alltagstauglichen Quantentechnologien für die Informationsverarbeitung“, ist Rainer Blatt überzeugt.

Die aktuellen Ergebnisse wurden nun in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht. Finanziell unterstützt werden die Innsbrucker Forscher unter anderem vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF, der Europäischen Kommission und der Tiroler Industrie