Quantencomputer: Schalter für Qubits im atomaren Eierkarton

Der Weg zu einem ersten Quantencomputer, der komplexe Aufgaben in extrem kurzen Zeiten löst, ist noch weit. Doch an einer geeigneten Hardware für die so genannten Quantenbits arbeiten Physiker mit Hochdruck.

Gaithersburg (USA) - Nach eingefangenen Metallionen und Supraleiterstrukturen entwickelten nun amerikanische Physiker eine elegante Technik, um aus neutralen Rubidiumatomen die kurz Qubits genannten Grundbausteine eines Quantencomputers herzustellen. Ihre Ergebnisse präsentieren sie in der Zeitschrift "Nature".

"Ultrakalte, in Licht eingefangene Atome bilden ein attraktives System für Quanteninformationsprozesse", schreiben Marco Anderlini und seine Kollegen vom National Institute of Standards and Technology (NIST) in Gaithersburg. Wie bereits Wissenschaftler von der Universität Innsbruck zeigen konnten, können bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt einzelne, neutrale Rubidiumatome in einem Gitter aus gekreuzten Laserstrahlen voneinander isoliert werden. Wie die Eier in einem Karton besetzen die Atome die Potenzialmulden, die im Abstand von wenigen hundert Nanometern durch das Laserstrahlgitter erzeugt werden.

Die NIST-Forscher griffen nun gleich zu zwei optischen Gittern. Mit Radiowellen schalteten sie kontrolliert die Spins der einzelnen Atome hin und her und realisierten ein quantenelektronisches Gatter, ein so genanntes SWAP-Gate. Damit konnten sie einzelne Atome quantenphysikalisch koppeln. Die Physiker sprechen hier von Verschränkung. Nur in diesem Zustand weist ein Qubit nicht nur diskrete Werte wie "0" und "1" auf, sondern kann beide Werte gleichzeitig und alle Zustände dazwischen einnehmen. Gerade in dieser Eigenschaft liegt das Geheimnis der enormen Rechenleistung eines zukünftigen Quantencomputers.

Nachdem Anderlini und Kollegen ihre zwei parallel angeordneten "atomaren Eierkartons" präpariert hatten, führten sie beide optische Gitter über eine geschickte Führung der Laserstrahlen zu einem einzigen zusammen. So fanden sich in einem einzigen, zusammengeführten Gitter je zwei Atome in einer einzigen Potenzialmulde. Da diese beiden Atome aber einmal den Spin "1" und einmal den Spin "0" trugen, kommt es aus Symmetrie-Gründen zu einer Oszillation zwischen den beiden möglichen Spin-Werten "0-1" und "1-0" mit einer Periode von 0,4 Mikrosekunden. Es handelt sich um eine Superposition der symmetrischen Quantenzustände. Genau diese Eigenschaft ist die Grundlage für die Verschränkung zweier Qubits.

"Mit Blick auf alle bisherigen Arbeiten auf dem Feld des Quantencomputings, erfahren wir vielleicht einen Paradigmenwechsel für die Kontrolle der Quantenbit-Wechselwirkung", urteilt Johannes Hecker Denschlag von der Universität Innsbruck in einem begleitenden Kommentar über dieses Ergebnis. Denn die Qubits werden hier erstmals nicht über extern ausgeübte Kräfte, sondern allein durch das Symmetrie-Verhalten der Rubidiumatome erzeugt. Da mit dem verwendeten optischen Gitter zugleich bis zu 10.000 Rubidiumatome isoliert werden konnten, liegt hier ein großes Potenzial für die Erzeugung sehr vieler Qubits in einem System. Allerdings befanden sich hier alle Atome eines optischen Gitter im gleichen Spinzustand. Für eine Anwendung in einem Quantencomputer müsste idealerweise der Spin jedes einzelnen Atoms über Radiowellen separat kontrolliert, also geschrieben und ausgelesen werden können. Nun gilt es, in Folgeexperimenten diese große Hürde in Angriff zu nehmen.