Nicht nur Null und Eins: Physiker haben erstmals Qudits mit bis zu fünf Zuständen gleichzeitig verschränkt und mit ihnen ein Logikgatter konstruiert. Dadurch können diese Quantenteilchen mit mehr Zuständen gleichzeitig rechnen als nur mit Null und Eins. Die nun erzielte hochdimensionale Verschränkung solcher Systeme aus gefangenen Ionen macht das Quantenrechnen effizienter und die Fehlerkorrektur einfacher, wie das Team in „Nature Communications“ berichtet.
Bisher dominiert in der digitalen Welt das binäre Rechnen mit Nullen und Einsen – das gilt auch für Quantencomputer. Doch Quantenteilchen in Form von Ionen, Atomen oder supraleitenden Quantenpunkten können weit mehr trennbare Energiezustände annehmen als nur zwei. Nutzt man diese für das Rechnen, erhöht dies das Potenzial von Quantenrechnern erheblich. Bereits 2022 stellte ein Team um Martin Ringbauer von der Universität Innsbruck ein erstes Quantensystem vor, dessen Quantendits bis zu acht auslesbare Zuständen besitzen.
Die Verschränkung ist entscheidend
Doch damit solche Qudits in einem Quantencomputer eingesetzt werden können, müssen sie auch effizient und möglichst mit allen ihren Zuständen miteinander verschränkt werden können. „Die Herausforderung bei Qudit-basierten Quantencomputern ist die effiziente Erzeugung von Verschränkung zwischen den hochdimensionalen Systemen“ erklärt Erstautor Pavel Hrmo von der Universität Innsbruck. Bisher gelang dies jedoch nur, indem man in mehreren Schritten jeweils zwei Zustände paarweise miteinander koppelte.
Das hat sich nun geändert: Dem Team um Hrmo und Ringbauer ist es gelungen, Qudits mit bis zu fünf Zuständen gleichzeitig und in einem Schritt miteinander zu verschränken. „Der Hauptunterschied zu früheren Ansätzen ist, dass unser System mit allen Energieübergängen koppelt und die Verschränkung zwischen den verschiedenen Qudit-Zuständen in einem Schritt erreicht statt in mehreren hintereinander“, erklären die Physiker.
Verschränkung mittels „Light-Shift-Gate“
Für ihr Experiment nutzten Hrmo und seine Kollegen in einer Ionenfalle gefangene Calcium-Ionen als Qudits. Diese nehmen durch laserinduzierte Anregung verschiedene Energiezustände an. Um alle dieser Zustände auf einmal miteinander zu verschränken, konstruierten die Physiker ein sogenanntes Light-Shift-Gate. Dabei erzeugen zwei sich kreuzende Laserstrahlen eine wandernde Welle, in der sich die Ionen je nach Energiezustand auf verschiedene Weise bewegen.
„Die Ionen erhalten darin je nach elektronischem Zustand eine andere geometrische Phase“, erklären die Wissenschaftler. Dieser Effekt wiederum lässt sich nutzen, um die Qudits zu koordinieren und ihre Zustände miteinander zu verschränken. „Unabhängig von der Qudit-Dimension kann dieser Gate-Mechanismus echte Qudit-Verschränkungen erreichen“, so Hrmo und seine Kollegen. Im Experiment gelang es ihnen, die Ionen-Qudits in bis zu fünf Zuständen gleichzeitig miteinander zu koppeln.
Nächste Generation von Quantenprozessoren
Nach Ansicht der Physiker ebnet diese hochdimensionale Verschränkung von Qudits den Weg zu noch effizienteren Quantencomputern. „Qudit-Quantenrechner erlauben es, Quanten-Schaltkreise erheblich zu vereinfachen, und profitieren zudem von einer besseren Fehlerkorrektur“, schreiben die Forscher. „Dadurch bilden die mehrdimensionalen Qudit-Systeme eine leistungsfähige Ressource für die nächste Generation von Quantenprozessoren.“ (Nature Communications, 2023; doi: 10.1038/s41467-023-37375-2)
Quelle: Universität Innsbruck
