Botschafter fürs Quantenreich

Quantencomputer haben ein Kommunikationsproblem: wie sollen verschiedene ihrer Teile miteinander Daten austauschen, ohne diese Daten dabei zu zerstören?

Die spezielle Arbeitsweise von Quantencomputern bringt so einige Hindernisse mit sich, die ihre praktische Umsetzung auf die eher fernere als nähere Zukunft verschieben. Dabei ist ihr Versprechen doch gar zu verlockend: Statt einer einzigen Lösung eines Problems gleich alle möglichen Lösungen auszurechnen und zwar massiv parallel. Nur leider sind die Quanten-Bits, die Qubits, sehr schüchtern und mögen es insbesondere nicht, von außen betrachtet zu werden. Das stellt die Konstrukteure von Quantencomputern vor ein paar ausgesucht komplizierte Probleme.

Für viele davon konnte die Forschung zumindest schon prinzipielle Lösungen zeigen. So etwa für einen Auslesemechanismus, der den Datenspeicher des Quantenrechners nicht auf eine einzige Lösung zurückführt (vgl. Zerstörungsfreies Betrachten) oder auch für die Fehlerkorrektur, die zufälliges Um- und Zusammenfallen der Quanten-Lösungen aufspürt.

Zur Datenübertragung zwischen einzelnen Qubits fehlten bisher noch praktikable Vorschläge, die nicht über den klassischen Umweg funktionieren: Ein Qubit auszulesen und das Ergebnis elektronisch auf ein anderes zu übertragen. Eine solche Lösung entspräche von Eleganz und Effizienz ungefähr dem legendären Turnschuhnetzwerk, bei dem man einfach eine Diskette (oder zeitgemäßer einen USB-Stick) mit den auszutauschenden Daten von PC zu PC trägt.

In der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Nature schlagen US-Forscher nun ein dem Subjekt angepassteres Trägermedium vor - nämlich einzelne, verschränkte Photonen, die, weil von quantenmechanisch gleicher Natur, den Dateninhalt eines Qubits komplett übernehmen können. Die Schwierigkeit besteht hier vor allem darin, Photonen einzeln zu erzeugen und kontrolliert ans Ziel zu bringen.

Das Wissenschaftlerteam der Yale-University hat sich deshalb Photonen im Mikrowellenbereich ausgesucht. Die haben den zusätzlichen Vorteil, dass sie sich entlang von Leiterbahnen in einem elektronischen Chip bewegen können. Die Forscher nutzen zugegebenermaßen keinen ganz gewöhnlichen Chip - sie setzen auf einen quantenelektrodynamischen Schaltkreis, der bei sehr tiefen Temperaturen arbeitet. Seine prinzipielle Struktur haben die Yale-Forscher schon vor ein paar Jahren ausführlich beschrieben.

Das Prinzip, das die Forscher in ihrem Nature-Artikel beschreiben, ist im Grunde recht einfach: Damit ein Qubit ein Photon emittiert, muss es von außen angeregt werden. Die überschüssige Energie wird es dann nach einer zufällig bemessenen Zeit wieder in Form eines (und zwar genau eines) Lichtquants abgeben. Befindet sich das emittierende Qubit dabei in irgendeiner Art von Superposition, wird dieser Zustand auf das davoneilende Photon übertragen, das damit eine Art fliegendes Qubit bildet. Die Herausforderung besteht nun darin, dass dem Qubit normalerweise auch andere Wege offenstehen, sich aus dem angeregten Zustand zurückzuziehen. Es galt für die Forscher also, Bedingungen zu finden, unter denen hier die spontane Emission eines Photons überwiegt. Genau diese Bedingungen fanden die Forscher in ihren quantenelektrodynamischen Schaltkreisen.

Das die Photonen abgebende Qubit liegt dort als so genanntes Transmon vor, ein in einer Supraleiter-Struktur gebildetes Qubit, dessen Eigenschaften sich von außen über ein Magnetfeld steuern lassen.

Eine weitere Herausforderung für die Experimentatoren bestand darin, ihren eigenen Erfolg nachzuweisen. Das implizierte ja, einerseits einzelne Photonen aufzufangen - und dann auch noch zu zeigen, dass denen die Zustände des Qubits aufgeprägt waren. Zum Glück bringt auch eine integrierende Messung verschiedene kennzeichnende Ergebnisse hervor, die auf die Natur ihrer Ursachen schließen lassen.

Die mittlere gemessene Amplitude sollte zum Beispiel dem Wert für ein einzelnes Photon entsprechen, und die Tomografie der Photonen-Quantenzustände sollte der der ursprünglichen Qubits entsprechen. Genau das konnten die Yale-Forscher zeigen.

http://www.heise.de/tp/artikel/26/26235/1.html