Physiker rechnen mit 14 Quantenbits

Innsbrucker Quantenphysikern ist ein neuer Weltrekord gelungen: Sie haben erstmals gleich 14 Quantenbits kontrolliert miteinander verschränkt und so das größte bisher gebaute Quantenregister realisiert.

Das Experiment ist nicht nur ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einem zukünftigen Quantencomputer, es liefert auch überraschende Erkenntnisse über das quantenmechanische Phänomen der Verschränkung, berichten die Forscher in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“.

Phänomen Verschränkung

Der Begriff der Verschränkung wurde 1935 vom österreichischen Nobelpreisträger Erwin Schrödinger geprägt und beschreibt ein quantenmechanisches Phänomen, das im Experiment eindeutig nachgewiesen werden kann, das aber bis heute nicht gänzlich verstanden wird. Verschränkte Teilchen können nicht als einzelne Teilchen mit definierten Zuständen beschrieben werden, sondern nur als Gesamtsystem. Die Verschränkung von einzelnen Quantenbits lässt den Quantencomputer bestimmte Probleme wesentlich schneller lösen als klassische Computer.

„Besonders schwierig wird es, Verschränkung zu verstehen, wenn zahlreiche Teilchen im Spiel sind“, sagt Thomas Monz aus dem Team von Rainer Blatt am Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck. „Unsere Experimente mit vielen Teilchen verschaffen uns hier neue Einblicke“, ergänzt Blatt.

Weltrekord: 14 Quantenbits

Die Physiker um Blatt halten seit 2005 den Rekord für die Anzahl von verschränkten Quantenbits, die in einem Experiment realisiert wurden. Bis heute ist es niemand anderem gelungen, acht Teilchen auf kontrollierte Art und Weise zu verschränken und damit ein „Quantenbyte“ zu erzeugen.

Nun haben die Innsbrucker Wissenschaftler diesen Rekord noch einmal beinahe verdoppelt. In einer Ionenfalle haben sie 14 Kalziumatome gefangen, die sie, einem Quantenprozessor gleich, mit Laserlicht manipulieren. Interne Zustände jedes Atoms bilden dabei einzelne Quantenbits, zusammen entsteht ein Quantenregister mit 14 Recheneinheiten. Dieses bildet das Herzstück eines zukünftigen Quantencomputers.

Die Innsbrucker Physiker stellten aber auch fest, dass bei ihnen die Störungsempfindlichkeit nicht wie meist angenommen linear sondern mit der Anzahl der Teilchen quadratisch zunimmt. Werden mehrere Teilchen verschränkt, steigt die Empfindlichkeit deshalb stark an. „Dies wird als Superdekohärenz bezeichnet“, sagt Monz. „In der Quanteninformation wurde dieses Phänomen bisher kaum wahrgenommen.“ Es hat nicht nur für den Bau von Quantencomputern Bedeutung, sondern auch bei der Konstruktion sehr genauer Atomuhren oder für Quantensimulationen.

In Mikrofallen können die Innsbrucker Physiker rund um Rainer Blatt heute bereits 64 Ionen kontrollieren. © Universität Innsbruck

Zahl der verschränkten Teilchen ausbauen

Die Experimentalphysiker in den Innsbrucker Labors schaffen es mittlerweile, bis zu 64 Teilchen in Ionenfallen zu fangen. „Noch können wir diese große Zahl von Ionen nicht verschränken“, sagt Monz. „Die aktuellen Ergebnisse ermöglichen nun aber ein besseres Verständnis über das Verhalten von vielen verschränkten Teilchen.“

So können vielleicht schon bald noch mehr Teilchen miteinander verschränkt werden. Vor wenigen Wochen haben die Forscher um Blatt in der Fachzeitschrift „Nature“ außerdem erstmals gezeigt, dass Ionen auch mittels elektromagnetischer Kopplung verschränkt werden könnten. So lassen sich viele kleine Quantenregister auf einem Mikrochip effizient miteinander verknüpfen.

„Dies sind alles wichtige Schritte auf dem Weg zu alltagstauglichen Quantentechnologien für die Informationsverarbeitung“, ist Blatt überzeugt. (Physical Review Letters, 2011; doi:10.1103/PhysRevLett.106.130506)

(Universität Innsbruck, 04.04.2011 – DLO)