Rechnen mit Licht

Es gibt viele Wege, einen Quantencomputer zu konstruieren. Ein geeignetes System muss fünf Kriterien erfüllen, die erstmals der IBM-Forscher David DiVincenzo formuliert hat:

• Man braucht ein Qubit, also ein quantenphysikalisches System mit einer Überlagerung aus zwei gut trennbaren Zuständen.

• Es muss möglich sein, die Qubits in einen definierten Anfangszustand zu versetzen.

• Die Qubits müssen sich auslesen lassen.

• Es müssen Rechenoperationen an den Qubits möglich sein.

• Die Dekohärenz-Zeit muss länger sein als die Zeit, die man für einen Rechenschritt inklusive Vorbereitung und Auslesen braucht.

Es bietet sich an, mit dem System zu starten, das in der Quantenphysik zuerst die Aufmerksamkeit der Forscher bekam: mit dem Licht. Das sogenannte optische Quanten-Computing hat den Vorteil, dass verschränkte Lichtteilchen (Photonen) schnell und billig herzustellen sind. Kein anderes System lässt sich so sauber verschränken wie die Photonen. Was jedoch nicht so simpel ist: die Lichtteilchen miteinander wechselwirken zu lassen. Ein weiterer kleiner Nachteil: Photonen entfliehen den Forschern mit Lichtgeschwindigkeit.

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Versuchsanordnung mit grünem Laser, mit der<br>Wiener Forscher das optische Quanten-Computing verbessert haben<br>(Bild: IQOQI Wien)

Dieser Fluchtinstinkt hat aber für die praktische Anwendung auch einen gewissen Charme, denn so lassen sich Informationsverarbeitung und -übertragung gut verbinden. Optischer Datentransfer über Glasfaserkabel ist heute längst Standard. Bei anderen Verfahren müsste man hingegen einen Wandler dazwischenschalten, der naturgemäß verlustbehaftet ist.

Atome in Fallen

Natürlich kann man einen Quantencomputer auch Stück für Stück aus seinen Grundbausteinen zusammensetzen, etwa aus Atomen oder Ionen. Diese Herangehensweise, die Ionenfalle, wählen etwa die Physiker der für ihre Quantenphysik-Abteilung bekannten Innsbrucker Universität. Nutzt man nur wenige Atome, fällt es deutlich leichter, diese zu kontrollieren. Trotzdem müssen die Atome extrem tiefgekühlt sein, damit ihre Eigenbewegung keine Rolle mehr spielt.

Außerdem stören schon kleinste Vibrationen - die Innsbrucker Forscher haben sich deshalb beim Neubau ihres Institutsgebäudes einen riesigen, gummigelagerten Betonklotz im Keller installieren lassen, der einen darauf fixierten Experimentiertisch von sämtlichen Vibrationen isoliert.

Wie funktioniert eine Ionenfalle? Zunächst gilt es, einige wenige Ionen zu isolieren. Da sie eine elektrische Ladung besitzen, kann man sie mit Hilfe elektrischer Felder festhalten. Sie sitzen dann wie auf einer Perlenschnur aufgereiht im Vakuum der Apparatur. Bevor man ins Quantenregime kommt, muss man ihnen aber auch noch den größten Teil ihrer Bewegungsenergie abnehmen.

Dazu benutzen die Forscher verschiedene Verfahren, die in unterschiedlichen Temperaturbereichen funktionieren. Im untersten Bereich hilft dann nur noch die sogenannte Dopplerkühlung, bei der den Teilchen mit genau abgemessenen Stößen durch Photonen ein Teil ihres Impulses entzogen wird. Erst beim winzigsten Teil eines Kelvin sitzen die Ionen so ruhig in der Falle, dass man sie in eine gemeinsame Anregung versetzen kann - auch dabei kommt wieder ein Laser zum Einsatz. Dessen Frequenz muss zu den Eigenschaften der Ionen passen. Auf diese Weise ist es den Innsbrucker Forschern gelungen, immerhin 14 Ionen miteinander zu verschränken - das ist derzeit noch Weltrekord. Kein anderes Verfahren kommt dem derzeit nahe. Auch was die Güte und Vielfalt der auf Ionenfallen möglichen Quanten-Operationen betrifft, liegen derartige Systeme weit vorn.