Quantenrekord: Gut 200 Ionen auf einmal verschränkt

Überlagerung im Kollektiv: Physikern ist es erstmals gelungen, bis zu 219 Ionen auf einmal miteinander zu verschränken. Im Zustand der Überlagerung fungieren sie als Qubits und können so zehnfach mehr Quantenoperationen durchführen als bisher möglich. Dieser Rekord im Quantenreich trägt dazu bei, Quantenrechner leistungsfähiger zu machen, hilft aber auch, Atomuhren zu verbessern, wie die Forscher im Fachmagazin „Science“ berichten.

Quantencomputer sind so etwas wie der Heilige Gral der Quantentechnologie. Denn dank quantenphysikalischer Phänomene wie der Überlagerung und Verschränkung können sie schon auf Basis weniger Teilchen komplexe Aufgaben parallel abarbeiten – theoretisch. Voraussetzung ist es jedoch, dass man Atome, Ionen oder Photonen stabil verschränkt und überlagert – und das in ausreichender Menge.

Tatsächlich ist es bereits gelungen, hunderte neutraler Atome oder Moleküle miteinander zu verschränken. Doch bei geladenen Teilchen, Ionen, hapert es damit noch. Mehr als 20 in Bezug auf ihren Spin verschränkte Ionen wurden bisher noch nicht erreicht. Dummerweise gelten jedoch gerade Ionen als vielversprechende Qubit-Kandidaten. Denn sie lassen sich gezielt in definierte Quantenzustände versetzen und bleiben zudem lange stabil.

219 Ionen in Verschränkung

Justin Bohnet vom National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder und seine Kollegen haben nun hier einen echten Durchbruch erzielt: Erstmals gelang es ihnen, bis zu 219 Beryllium-Ionen zu verschränken und sie als Quantensimulator einzusetzen. Für ihr Experiment nutzten die Forscher eine Penningfalle – eine Art Magnetkäfig, in dem die Ionen in der Schwebe gehalten und manipuliert werden können.

Die Beryllium-Ionen in der Falle bilden eine Art zweidimensionalen Kristall, in dem die einzelnen Teilchen eine Art Dreiecksmuster bilden. Anfangs befinden sich die Spins der Ionen zwar im Zustand der Überlagerung, sind dabei aber nicht miteinander verschränkt. Durch Wechselwirkungen in der Penningfalle kommt es jedoch zu einer immer stärkeren Verschränkung der Ionen, wie Messungen mittels Laser belegten:

Verschränkte Beryllium-Ionen (blau): Der Spin ihres Außenelektrons (roter Pfeil) fungiert als Qubit. © Britton/ NIST

Kollektiver Kollaps

Wird der Spinzustand eines Ions gemessen, kollabiert sein Überlagerungszustand und das Teilchen „entscheidet“ sich für einen von zwei möglichen Spins. Sind die Ionen eines Kristalls dabei nicht miteinander verschränkt, kollabieren sie jeweils unterschiedlich. Das ist an Fluktuationen im Messergebnis ablesbar – einer Art Quantenrauschen, wie die Forscher erklären.

Gelingt es jedoch, alle oder fast alle Ionen miteinander zu verschränken, kollabiert ihre Überlagerung kollektiv und auf die gleiche Weise. Die Messung der Spins ergibt dadurch signifikant weniger Quantenrauschen. „Das liefert uns den eindeutigen, unbestreitbaren Beweis dafür, dass die Ionen miteinander verschränkt sind“, erklärt Bohnet.

Nützlich für Quantenrechnungen und Atomuhren

Mit Hilfe dieser Technik gelang es den Forschern, durch entsprechende Veränderung der Bedingungen zwischen 20 und gut 200 Beryllium-Ionen miteinander zu verschränken – und damit zehnmal mehr als bisher möglich. Nutzt man sie im Quantensimulator, kann dieser dadurch exponentiell mehr komplexe Operationen auf einmal durchführen, wie Bohnet und seine Kollegen erklären. Zudem kann das Verhalten der im flachen Kristall rotierenden Ionen gezielt kontrolliert und angepasst werden.

Die Verschränkung so vieler Ionen bietet aber auch für andere Anwendungen Vorteile: „Die Reduktion des Quantenrauschens könnte auch Atom- und Ionenuhren besser machen“, sagt Bohnet. (Science, 2016; doi: 10.1126/science.aad9958)

(National Institute of Standards and Technology (NIST), 10.06.2016 – NPO)