Quantencomputer gegen Fehler immunisieren
An gefangenen Kalziumionen haben ETH-Forscher eine neue Methode demonstriert, mit der man Quantencomputer immun gegen Fehler machen k?nnte. Dazu stellten sie einen periodischen Schwingungszustand eines Ions her, bei dem die üblichen Limits bezüglich der Messgenauigkeit umgangen werden.
Wer einen Quantencomputer bauen will, muss – im doppelten Wortsinn – mit Fehlern rechnen. Die Quanten-Bits oder Qubits n?mlich, die gleichzeitig die logischen Zust?nde 0 und 1 annehmen k?nnen und dadurch für schnellere Rechnungen sorgen, sind ?usserst st?ranf?llig. Abhilfe kann die Quanten-Fehlerkorrektur schaffen, bei der jedes Qubit in mehrfacher Ausführung, also ?redundant? vorhanden ist und Fehler so nachgewiesen und sp?ter berichtigt werden k?nnen, ohne den fragilen Qubit-Quantenzustand selbst zu st?ren. Das ist technisch sehr aufwendig.
Seit einigen Jahren gibt es einen Alternativvorschlag, bei dem die Information nicht in mehreren redundanten Qubits gespeichert wird, sondern in den vielen Schwingungszust?nden eines einzigen quantenphysikalischen harmonischen Oszillators. Ein solches, in einem Oszillator kodiertes Qubit hat nun die Forschungsgruppe von Jonathan Home, Professor am Institut für Quantenelektronik der ETH Zürich, im Labor realisiert. Ihre Ergebnisse wurden im Wissenschaftsjournal externe Seite Nature ver?ffentlicht.
Periodische Schwingungszust?nde
In Homes Labor arbeiten die Doktorandin Christa Flühmann und ihre Kollegen mit elektrisch geladenen Kalziumatomen, die mit Hilfe elektrischer Felder eingefangen werden. Durch den gezielten Einsatz von Laserstrahlen werden sie so stark abgekühlt, dass ihre Oszillationen in den elektrischen Feldern (in denen die Ionen wie Murmeln in einer Schüssel schwingen) als sogenannte Wellenfunktionen von der Quantenmechanik beschrieben werden. ?An diesem Punkt wird es spannend?, sagt Flühmann, die Erstautorin des Nature-Papers ist. ?Wir k?nnen n?mlich die Schwingungszust?nde der Ionen so manipulieren, dass sich ihre Orts- und Impulsunsch?rfe auf viele periodisch angeordnete Zust?nde verteilt.?
Die ?Unsch?rfe? bezieht sich dabei auf die berühmte Formel von Werner Heisenberg, nach der in der Quantenphysik das Produkt aus den Messunsicherheiten der Position und der Geschwindigkeit (genauer: des Impulses) eines Teilchens eine bestimmte Mindestgrenze nie unterschreiten kann. Will man also beispielsweise das Teilchen so manipulieren, dass man seinen Aufenthaltsort sehr genau kennt – Physiker nennen das ?quetschen? –, so ist dadurch automatisch sein Impuls unsicherer.
Reduzierte Unsicherheit
Ein solches Quetschen eines Quantenzustands allein hat also nur einen begrenzten Nutzen, wenn man genaue Messungen machen will. Doch es gibt einen pfiffigen Ausweg: Stellt man zus?tzlich zum Quetschen einen Schwingungszustand her, bei dem die Wellenfunktion des Teilchens auf viele periodisch angeordnete Positionen verteilt ist, so kann die Messunsicherheit jeder dieser Positionen und der entsprechenden Impulse kleiner sein, als es Heisenberg erlaubt. Eine solche r?umliche Aufteilung der Wellenfunktion – das Teilchen kann an vielen Orten gleichzeitig sein, und erst eine Messung entscheidet, wo man es tats?chlich findet – erinnert an Erwin Schr?dingers berühmte Katze, die zugleich tot und lebendig ist.
Die stark reduzierte Messunsicherheit bedeutet nun, dass kleinste ?nderungen der Wellenfunktion, etwa durch St?rungen von ausserhalb, sehr genau bestimmt – und dadurch prinzipiell auch korrigiert – werden k?nnen. ?Unsere Realisierung dieser periodischen oder kammartigen Schwingungszust?nde des Ions stellt einen wichtigen Schritt in Richtung einer solchen eventuellen Fehlerbestimmung dar?, erkl?rt Flühmann. ?Zudem k?nnen wir beliebige Zustande des Ions pr?parieren und alle logischen Operationen am Ion durchführen. All dies ist n?tig für den Bau eines Quantencomputers. In einem n?chsten Schritt wollen wir das dann mit einer Fehlerbestimmung und Fehlerkorrektur kombinieren.?
Anwendungen in Quantensensoren
Dazu müssen allerdings noch einige experimentelle Hürden genommen werden, r?umt Flühmann ein. So muss das Kalziumion zun?chst über elektrische Kr?fte an ein anderes Ion gekoppelt werden, damit der Schwingungszustand ausgelesen werden kann, ohne ihn zu st?ren. Doch schon in ihrer jetzigen Form ist die Methode der ETH-Forscher für Anwendungen h?chst interessant, erl?utert Flühmann: ?Dadurch, dass diese Schwingungszust?nde so empfindlich auf St?rungen sind, kann man sie wunderbar einsetzen, um kleinste elektrische Felder oder andere physikalische Gr?ssen genau zu messen.?
Literaturhinweis
Flühmann C, Nyuyen TL, Marinelli M, Negnevitsky V, Mehta K, Home J: Encoding a qubit in a trapped-ion mechanical oscillator. Nature, 27. Februar 2019, doi: externe Seite 10.1038/s41586-019-0960-6