„Gebeamte“ Rechenoperation: Physikern ist es erstmals gelungen, eine Rechenanweisung von einem Quantenbit zum anderen zu teleportieren. Mithilfe verschränkter Magnesium-Ionen wurde eine sogenannte CNOT-Logikoperation dabei instantan übertragen. Diese Teleportation von Recheninformationen bildet einen ersten Schritt hin zu umfangreichen Quantencomputern mit vielen räumlich getrennten Qubits, wie die Forscher im Fachmagazin „Science“ erklären.
Quantencomputer gelten als die Rechner der Zukunft. Denn dank quantenphysikalischer Phänomene wie der Überlagerung und Verschränkung können sie viele Rechenoperationen gleichzeitig durchführen. Doch obwohl es bereits verschiedene Varianten solcher Quantencomputer gibt, darunter auch erste kommerzielle Systeme, umfassen sie bisher nur eine Handvoll Quantenbits. Ein erster Quantenrechner mit 100 Qubits soll erst in den nächsten Jahren entstehen.
Das Problem des Abstands
Das Problem jedoch: Je mehr Qubits ein Quantencomputer hat und je größer der Abstand zwischen diesen einzelnen Rechenteilchen, desto schwerer wird es, die Verschränkung zwischen ihnen aufrechtzuerhalten. „Die Quantengatter Teleportation (QGT) löst dies, indem sie logische Gates auch aus räumlich getrennten Qubits möglich macht“, erklären Yong Wan vom National Institute of Standards and Technology (NIST) im Boulder und seine Kollegen.
Dies bedeutet, dass die Rechenanweisung, das sogenannte logische Gatter, mithilfe verschränkter Botenteilchen zwischen zwei Quantenbits „teleportiert“ wird. Die Verschränkung ermöglicht es dabei, die Information instantan zwischen den beteiligen Qubits zu teilen. Dadurch können selbst räumlich voneinander entfernt liegende Quantenbits eine gemeinsame Rechenoperation durchführen.
Magnesium-Ionen als verschränkte „Boten“
Für ihr Experiment nutzten Wan und sein Team zwei Beryllium-Ionen in getrennten Zonen einer Ionenfalle als Quantenbits. Beide Qubits waren 340 Mikrometer voneinander entfernt und daher zu weit weg, um direkt miteinander zu wechselwirken, wie die Forscher erklären. Ziel war es nun, beide zusammen eine CNOT-Operation durchführen zu lassen. In diesem Fall gab das Logikgatter vor, dass das zweite Qubit nur dann seinen Spin von „0“ auf „1“ oder umgekehrt wechseln durfte, wenn das erste Qubit auf „1“ stand.
Für die „Teleportation“ nutzten die Wissenschaftler zwei miteinander verschränkte Magnesium-Ionen. Sie dienten als „Boten“, die die Information über das Logikgatter und den Zustand des ersten Qubits übertrugen. Dank Verschränkung geht dies instantan und ohne räumliche Bewegung der Ionen. „Der Clou ist, dass jedes Qubit ein Ion eines weiteren verschränkten Paares zur Seite hat“, erklärt Dietrich Leibfried vom NIST. „Erst diese verschränkten Helfer ermöglichen es uns, diesen Quantentrick auszuführen.“
Bis zu 87 Prozent erfolgreich
Mit Erfolg: Die verschränkten Magnesium-Ionen teleportierten die logische Operation mit einer Erfolgsrate von 95 Prozent, wie die Forscher berichten. Dadurch gelang es in immerhin 85 bis 87 Prozent der Versuche, die Rechenoperation durch die beiden getrennten Quantenbits vollständig und korrekt auszuführen. „Das ist noch lange nicht perfekt, aber es ist ein guter Anfang“, sagt Leibfried. Im Test bewährte sich diese Teleportation immerhin mit 16 verschiedenen Ausgangszuständen.
Nach Ansicht von Wan und seinem Team ist eine solche Teleportation von Logikoperationen ein vielversprechender Weg, um künftig Quantenrechner mit Tausenden oder sogar Millionen von Quantenbits zu ermöglichen – ohne dass diese Qubits direkt physikalisch miteinander verbunden sein müssen. „Wir haben hiermit essenzielle Werkzeuge demonstriert, durch die Ionenfallen-Quantencomputer hochskaliert werden können“, konstatieren die Forscher. (Science, 2019; doi: 10.1126/science.aaw9415)
Quelle: National Institute of Standards and Technology (NIST)
