„Quantensprung“ für Quantencomputer

Quantenphysikalischer Rekord: Zwei Forscherteams haben erstmals Quantensimulatoren mit mehr als 50 Quantenbits konstruiert – und damit die bisher größten Vorstufen des Quantencomputers. In einem dieser Systeme dienten 51 ultrakalte Rubidiumatome als Qubits, im anderen 53 Ytterbium-Ionen. Noch können diese Quantensimulatoren nur bestimmte Aufgaben lösen. Aber die Physiker sehen in ihnen einen wichtigen Schritt hin zu ähnlich großen Quantencomputern, wie sie im Fachmagazin „Nature“ berichten.

Quantencomputer gelten als Rechner der Zukunft. Dank quantenphysikalischer Phänomene wie der Überlagerung und Verschränkung können ihre Rechenteilchen, die Qubits, selbst komplexe Aufgaben parallel abarbeiten und so viel höhere Leistungen erreichen als konventionelle Computer. Erst kürzlich haben sich zwei Quantencomputer verschiedener Machart erstmals im Duell gemessen. Einer von ihnen ist bereits für kommerzielle Anwendungen nutzbar.

Auf die Qubits kommt es an

Allerdings: Bisher umfassen diese Quantencomputer nur wenige Qubits, meist in Form von einzelnen Atomen oder Ionen. Zwar ist es Physikern schon gelungen, größere Gruppen von Teilchen miteinander zu verknüpfen, diese ließen sich aber nicht einzeln auslesen und sind daher keine echten Qubits.

Das Problem dabei: Qubits reagieren extrem sensibel und verlieren ihre Quantennatur schon bei der kleinsten Störung. Aber damit man mit ihnen rechnen kann, müssen sie miteinander interagieren können – und das ohne sich gegenseitig zum Kollaps zu bringen. „Die Verwirklichung von vollständig kontrollierbaren, kohärenten Vielkörper-Quantensystemen ist daher eine noch nicht gelöste Herausforderung“, erklären Mikhail Lukin von der Harvard University und seine Kollegen.

Teilchenschwemme im Quantensimulator

Ein entscheidender Schritt hin zu solchen Systemen ist nun zwei Forschergruppen gelungen: Lukins Team sowie Forschern um Christopher Monroe von der University of Maryland. Beide Gruppen konstruierten erstmals Quantensimulatoren mit mehr als 50 individuell kontrollierbaren Qubits. Im ersten Ansatz bilden 53 ionisierte Ytterbium-Atome die Qubits, im zweiten Fall bestehen die Rechenteilchen aus 51 neutralen Rubidium-Atomen.

Während Quantencomputer frei programmierbar sind und daher vielseitig einsetzbar, bilden Quantensimulatoren eine Vorstufe: Sie sind speziell auf eine bestimmte Aufgabe zugeschnitten. Ihr Aufbau bestimmt, ob sie beispielsweise das Verhalten von Teilchen im Vakuum nachstellen oder die magnetischen Eigenschaften bestimmter Materialien.

Rechenergebnis aus Atomen: Jede Reihe heller und dunkler Punkte ist ein Schnappschuss des Qubit-Zustands während der Quantensimulation. © J. Zhang et al./ E. Edwards

Ytterbium-Ionen mit gestörtem Spin

Für den 53-Qubit-Simulator nutzen Monroe und sein Team eine Wolke von Ytterbium-Ionen in einer Vakuumkammer. Weil diese Atome alle die gleiche Ladung besitzen, stoßen sie sich ab. Ein elektrisches Feld sorgt jedoch dafür, dass die Atome gefangen bleiben und sich in einer perfekten Linie von Teilchen aufreihen. Diese Anordnung ermöglicht es den Ytterbium-Ionen, wie Qubits miteinander zu interagieren.

Dann beginnt eigentliche Quantensimulation: Die Physiker beschießen die Ionen mit Laserstrahlen und stören damit ihren zuvor geordneten Spinzustand. Die Qubits sind dadurch gezwungen, ihren Quantenzustand neu zu „wählen“ – und die Art, wie dies geschieht, kann für das Lösen bestimmter Aufgaben genutzt werden.

„Unser System mit bis zu 53 gefangenen Ionen-Qubits ist unseres Wissens nach die größte Quantensimulation, die jemals mit hocheffizienter Messung einzelner Qubits durchgeführt wurde“, konstatieren Monroe und seine Kollegen.

Rubidium-Atome im optischen Gitter

Einen anderen Ansatz wählten Lukin und sein Team: Sie konstruierten ihren Quantensimulator aus neutralen, nicht geladenen Rubidium-Atomen. Dafür kühlten sie eine Wolke dieser Atome zunächst im Vakuum bis auf knapp über dem absoluten Nullpunkt herunter und brachten sie dadurch in den Zustand ihrer niedrigsten Energie. Dann erzeugten sie mittels Laserstrahlen ein optisches Gitter, das jedes Atom in einem eigenen „Käfig“ festhielt.

Für das „Rechnen“ mit diesen Atomen nutzten die Forscher hier nicht den Spin, sondern den Energiezustand der Elektronen: Ein zusätzlicher Laserstrahl lieferte die Energie, um einige der Atome in den angeregten Zustand zu versetzen – den sogenannten Rydberg-Zustand. Weil in dieser Anregungsphase das optische Gitter kurzzeitig ausgeschaltet war, konnten die Qubits miteinander interagieren. Auch hier liefert der Endzustand der einzelnen Atome je nach Aufgabe das Ergebnis der Quantensimulation.

„Erst der Anfang“

Noch können beide Quantensimulatoren jeweils nur ganz bestimmte Aufgaben lösen. Bei diesen allerdings ist ihre Leistung enorm: „Mit den 53 interagierenden Quantenbits in diesem Experiment gibt es mehr als eine Billiarde möglicher Magnetkonfigurationen“, erklärt Monroes Kollege Zhexuan Gong. Ein konventioneller Computer wäre mit der Simulation einer so großen Spannbreite überfordert – oder würde extrem lange brauchen.

Beide Teams sind zuversichtlich, dass sie ihre Quantensysteme künftig bis auf 100 Teilchen oder mehr erweitern können. „Wenn man ein solches System als Quantencomputer nutzen möchte, dann wird es ab der Größenordnung von rund hundert Atomen interessant“, sagt Vladan Vuletić vom Massachusetts Institute of Technologie (MIT).

„An diesem Punkt könnte man damit beispielsweise schwierige Probleme in der Quantenchemie oder der Materialforschung lösen“, ergänzt Jiehang Zhang aus dem Team von Monroe. (Nature, 2017; doi: 10.1038/nature24654, doi: 10.1038/nature24622)

(Massachusetts Institute of Technology (MIT), University of Maryland, 30.11.2017 – NPO)