Rekordanzahl verschränkter und kontrollierter Ionen

Physiker haben in den USA einen Quantensimulator entwickelt, in dem 219 Berylliumionen miteinander gekoppelt wurden. Dieser Zustand wird auch als Verschränkung bezeichnet. Solche verschränkten Ionen können Informationen unter Ausnutzung quantenmechanischer Effekte speichern und verarbeiten. In dieser Funktion werden sie auch als Recheneinheiten, sogenannten Qubits, bei Prototypen von Quantencomputern eingesetzt. Mit diesem Experiment, das die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift „Science“ beschreiben, stellten sie einen neuen Rekord für die Anzahl verschränkter und kontrollierter Ionen auf.

Vier Abbildungen von miteinander verschränkten und auf einer Ebene angeordneten Berylliumionen, die hier aufsteigend von links nach rechts als einzelne Punkte einen immer größeren Kreis bilden.
Quantensimulator

„Wir konnten eindeutig belegen, dass alle Ionen miteinander verschränkt waren“, sagt Justin Bohnet vom National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder. Zusammen mit seinen Kollegen fing er 219 Berylliumionen in einer sogenannten Penning-Falle ein. Die tiefgekühlten Ionen setzten die Forscher einem starken Magnetfeld von 4,5 Tesla aus. Der Spin der Ionen ging dabei in einen speziellen Zustand über, der aus der Überlagerung von zwei Zuständen besteht und auch als Superposition bezeichnet wird. Dabei ist der Spin der Ionen gleichzeitig sowohl nach oben wie auch nach unten gerichtet.

Zuerst zeigten alle Ionen den Quantenzustand der Superposition unabhängig voneinander. Doch mit dem Einsatz von exakt abgestimmten Mikrowellen ließen sich die Ionen quantenmechanisch miteinander koppeln beziehungsweise verschränken. Als Beweis, dass eine quantenmechanische Verschränkung vorlag, bestimmten Bohnet und Kollegen die Ausrichtung der Ionenspins mit einem Laser. Die Ionen verloren dabei den Quantenzustand der Superposition und reagierten mit der Aussendung von Fluoreszenzlicht. Nun zeigte diese Messung nur ein außergewöhnlich schwaches Störrauschen. Dies deuteten die Forscher – im Einklang mit theoretischen Vorhersagen – als eindeutigen Beweis dafür, dass die 219 Ionen zuvor verschränkt waren. Ohne Verschränkung wäre das Störrauschen laut der Wissenschaftler signifikant stärker gewesen.

Mit diesem Grundlagenexperiment zeigten Bohnet und Kollegen, dass solch eine hohe Anzahl von Ionen prinzipiell zu miteinander verschränkten Einheiten angeordnet und kontrolliert werden kann. Neben der Anwendung als Quantensimulatoren sehen die Forscher auch neue Impulse für andere Forschungsbereiche. „Mit der Reduktion des Quantenrauschens könnte diese Art der Verschränkung auch für verbesserte Atomuhren nützlich sein“, sagt Bohnet.