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.
