Nature: Zwei Physik-Highlights aus Innsbruck

Neue Konzepte für Quantencomputer und Quantensimulator präsentiert

In der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature erscheinen gleich zwei Beiträge der Innsbrucker Quantenphysik. Die Experimentalphysiker um Rainer Blatt schlagen eine grundlegend neue Architektur für den Quantencomputer vor und demonstrieren erstmals die Funktion von Quantenantennen. In der zweiten Arbeit realisierten Nachwuchsphysiker aus den Arbeitsgruppen von Blatt und Peter Zoller erstmals die Grundbausteine eines offenen Quantensimulators.

Im neuen Quantencomputer funkt’s!

Atomare Antennen übermitteln Quanteninformation auf Mikrochip

Eine grundlegend neue Architektur für den Quantencomputer schlagen Innsbrucker Physiker um Rainer Blatt in der Fachzeitschrift Nature vor. Sie haben im Experiment erstmals die Funktion von Quantenantennen demonstriert. Diese machen es möglich, Quanteninformation zwischen einzelnen Speicherzellen auf einem Computerchip auszutauschen. Damit wird der Bau von handlicheren Quantencomputern denkbar.

Vor sechs Jahren wurde an der Universität Innsbruck das erste Quantenbyte – ein Quantencomputer mit acht Recheneinheiten – realisiert. Ein Rekord, der bis heute hält. „Um aber mit einem Quantencomputer richtig rechnen zu können, benötigen wir wesentlich mehr Quantenbits“, sagt Prof. Rainer Blatt, der dieses erste Quantenbyte mit einem Team am Institut für Experimentalphysik in einer elektromagnetischen Ionenfalle hergestellt hat. „In diesen Fallen können wir nicht beliebig viele Ionen aneinanderreihen und gleichzeitig kontrollieren.“ Die Wissenschaftler sind deshalb dazu übergegangen, den Quantencomputer als System von vielen kleinen Registern zu konzipieren. Diese müssen miteinander verbunden werden. Dafür haben die Innsbrucker Quantenphysiker nun einen revolutionären Ansatz entwickelt, der auf einer Idee der Theoretiker Ignacio Cirac und Peter Zoller basiert. Im Labor konnten die Physiker zwei Gruppen von Ionen über eine Entfernung von rund 50 Mikrometern elektromagnetisch koppeln. Dabei dient die Bewegung der Teilchen als Antenne. „Die Teilchen schwingen wie die Elektronen in den Stäbe einer Fernsehantenne und erzeugen so ein elektromagnetisches Feld“, erklärt Blatt. „Wenn die Antennen aufeinander abgestimmt sind, nimmt der Empfänger das Signal des Senders auf und es entsteht eine Kopplung.“ Der dabei stattfindende Energieaustausch könnte die Grundlage für elementare Rechenoperationen eines Quantencomputers sein.

Antennen verstärken Übertragung

„Wir haben diese Idee zunächst in sehr einfacher Weise umgesetzt“, erzählt Rainer Blatt. In einer miniaturisierten Ionenfalle wird ein wellenförmiges Potential eingerichtet, in dem die Calcium-Ionen gefangen sind. Die beiden Wellentäler liegen 54 Mikrometer auseinander. „Durch das Anlegen einer Spannung an den Elektroden der Ionenfalle können wir die Schwingungsfrequenz der Ionen aneinander anpassen“, sagt Blatt. „Dabei kommt es zur Kopplung und zum Energieaustausch, über den wir Quanteninformation übertragen können.“ Noch nie zuvor konnte eine direkte Kopplung von zwei mechanischen Schwingungen auf Quantenebene demonstriert werden. Die Wissenschaftler zeigen in dem Experiment darüber hinaus, dass die Kopplung umso stärker ist, je mehr Ionen in den beiden Gruppen vorhanden sind. „Die zusätzlichen Ionen wirken wie Antennen und erhöhen die Reichweite und Geschwindigkeit der Übertragung“, zeigt sich Rainer Blatt von dem neuen Konzept begeistert. Es stellt einen vielversprechenden Ansatz für den Bau eines voll funktionsfähigen Quantencomputers dar. „Diese neue Technologie bietet uns die Möglichkeit zur Verschränkung mittels Kommunikation. Gleichzeitig können wir jede Speicherzeile einzeln ansprechen“, so Rainer Blatt. Der neue Quantencomputer könnte auf einem Chip mit vielen Mikrofallen basieren, in denen Ionen mittels elektromagnetischer Kopplung miteinander kommunizieren. Dies wäre ein weiterer wichtiger Schritt auf dem Weg zu alltagstauglichen Quantentechnologien für die Informationsverarbeitung.

Publikation: Trapped-ion antennae for the transmission of quantum information. Maximilian Harlander, Regina Lechner, Michael Brownnutt, Rainer Blatt, Wolfgang Hänsel. Advanced online publication Nature 2011 DOI: 10.1038/nature09800

Quantensimulator öffnet sich der Welt

Forscher präsentieren Baukasten für offenen Quantencomputer

Experimentalphysiker stecken viel Zeit und Mühe in die Abschirmung sensibler Messungen gegen störende Einflüsse der Umwelt. Nun haben Quantenphysiker in Innsbruck erstmals die Grundbausteine eines offenen Quantensimulators realisiert, bei dem die kontrollierte Anbindung an die Umgebung nutzbringend eingesetzt wird. Damit kann in Zukunft das Verhalten sehr komplexer Quantensysteme untersucht werden. Die Forscher berichten darüber in der Fachzeitschrift Nature.

Die Eigenschaften der Quantenphysik liegen vielen Phänomenen unserer Welt zugrunde: der Struktur von Atomen und Molekülen, chemischen Reaktionen, Materialeigenschaften, dem Magnetismus und möglicherweise auch manchen biologischen Prozessen. Detailliertes Verständnis stößt allerdings rasch an Grenzen, weil die Komplexität der Phänomene mit der wachsenden Zahl der beteiligten Quantenteilchen rapide ansteigt. Herkömmliche Computer scheitern sehr rasch an der Berechnung solcher Probleme. Physiker entwickeln deshalb seit einigen Jahren auf verschiedenen Plattformen wie zum Beispiel Neutralatomen, Ionen oder Festkörpersystemen Quantensimulatoren, die ähnlich wie Quantencomputer die besonderen Eigenschaften der Quantenphysik zur Beherrschung dieser Komplexität nutzen. Zum Jahreswechsel hat die Fachzeitschrift Science die Fortschritte auf diesem Gebiet zu einem der wissenschaftlichen Durchbrüche des Jahres 2010 gekürt. Ein Team von Nachwuchsforschern aus den Arbeitsgruppen von Rainer Blatt und Peter Zoller an den Instituten für Experimentalphysik und Theoretische Physik der Universität Innsbruck sowie am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften bringt diese Bemühungen nun noch einen wesentlichen Schritt weiter. Sie haben zum ersten Mal einen umfassenden Baukasten für einen offenen Quantencomputer entwickelt, mit dem in Zukunft größere Quantensimulatoren zur Untersuchung komplexer Aufgabenstellungen konstruiert werden können.

Kontrollierte Störungen erwünscht

Die Wissenschaftler nutzen dazu eine Eigenschaft, die üblicherweise in Experimenten möglichst minimiert wird: Störungen durch die Umwelt. Quantensysteme verlieren durch Störungen gewöhnlich Information und fragile Quanteneffekte wie Verschränkung oder Überlagerung werden zerstört. Die Physik nennt diesen Prozess Dissipation. Die Innsbrucker Forscher um die Experimentalphysiker Julio Barreiro und Philipp Schindler und den Theoretiker Markus Müller verwenden die Dissipation für ihren Quantensimulator aus gespeicherten Ionen zum ersten Mal gewinnbringend, indem sie die Kopplung an die Umgebung künstlich konstruieren. „Wir kontrollieren nicht nur das Quantensystem aus bis zu vier Ionen in all seinen internen Zuständen, sondern auch seine Anbindung an die Umwelt“, erklärt Julio Barreiro. „In unserem Experiment nutzen wir dazu ein zusätzliches Ion, das mit dem Quantensystem wechselwirkt und gleichzeitig einen kontrollierten Kontakt zur Außenwelt herstellt“, erläutert Philipp Schindler. Das überraschende Ergebnis: Durch Dissipation lassen sich Quanteneffekte innerhalb des Systems, wie zum Beispiel Verschränkung, gezielt erzeugen und verstärken. „Dies ist uns durch den gezielten Einsatz des an sich störenden Umweltfaktors gelungen“, freut sich Markus Müller

Dissipation schafft Ordnung in der Quantenwelt

In einem der Experimente demonstrieren die Forscher den erfolgreichen Einsatz von Dissipation, indem sie mit Hilfe des Umgebungsions vier weitere Ionen vollständig miteinander verschränkten. „Im Gegensatz zu den üblichen Prozeduren funktioniert dies unabhängig von den Anfangszuständen der einzelnen Teilchen“, erklärt Müller. „Durch einen kollektiven Kühlungsprozess werden die Teilchen in einen gemeinsamen Zustand gedrängt.“ Auf diese Weise können Vielteilchenzustände erzeugt werden, die sonst nur in von der Umgebung sehr gut isolierten Quantensystemen hergestellt und beobachtet werden können. Dieser gewinnbringende Einsatz der Umgebung erlaubt es, neue Arten von Quantendynamik zu realisieren und Systeme zu erforschen, die bislang experimentell kaum zugänglich waren. In der Theorie hat in den letzten Jahren ein Nachdenken darüber eingesetzt, wie Dissipation nicht wie bisher nur unterdrückt, sondern aktiv als Ressource für den Bau von Quantencomputern oder Quantenspeichern genutzt werden kann. In enger Kooperation zwischen Theoretikern und Experimentalphysikern in Innsbruck ist es nun erstmals gelungen, diese grundlegenden Effekte in einem Quantensimulator erfolgreich umzusetzen.

Publikation: An Open-System Quantum Simulator with Trapped Ions. Julio T. Barreiro, Markus Müller, Philipp Schindler, Daniel Nigg, Thomas Monz, Michael Chwalla, Markus Hennrich, Christian F. Roos, Peter Zoller und Rainer Blatt. Nature 2011. DOI: 10.1038/nature09801

Unterstützt wurden die Tiroler Quantenforscher vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF, der Europäischen Union, dem Europäischen Forschungsrat ERC und der Tiroler Industrie.

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Quantencomputer: Atomare Antennen machen es möglich, Quanteninformation zwischen einzelnen Speicherzellen auf einem Computerchip auszutauschen.


Grafik: Harald Ritsch
illu1_06c_web Quantensimulator: Ein Ion wechselwirkt mit dem Quantensystem und stellt gleichzeitig einen kontrollierten Kontakt zur Außenwelt her.   Grafik: Harald Ritsch

 

 

Rückfragehinweis:

Univ.-Prof. Dr. Rainer Blatt
Institut für Experimentalphysik
Universität Innsbruck
Tel.: +43 512 507-6350
E-Mail: rainer.blatt@uibk.ac.at

Dr. Christian Roos
Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI)
Österreichische Akademie der Wissenschaften
Tel.: +43 512 507-4728
E-Mail: christian.roos@uibk.ac.at

Dr. Julio Barreiro
Institut für Experimentalphysik
Universität Innsbruck
Tel.: +43 512 507-6321
E-Mail: julio.barreiro@uibk.ac.at

Dr. Christian Flatz
Büro für Öffentlichkeitsarbeit
Universität Innsbruck
Tel.: +43 650 5777122
E-Mail: christian.flatz@uibk.ac.at

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