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Schnellstes Quantengatter aus zwei Atomen

Zwei Qubits aus aufgeblähten Rydberg-Atomen interagieren im Rekordtempo

Quantencomputer
Je schneller ein Quantencomputer schalten kann, desto weniger Gefahr besteht, dass Störeffekte das Rechnen abbrechen oder verfälschen. © sakkmesterke/ Getty images

Blitzschnelle Quanten-Interaktion: Physiker haben das bisher schnellste logische Gatter aus zwei Quantenbits konstruiert. Das neuartige Quantengatter benötigt fürs Schalten nur 6,5 Nanosekunden – das ist 100-fach schneller als bisherige Qubit-Gatter dieser Art. Möglich wurde dies durch die Verschränkung von zwei ultrakalten Rubidium-Atomen, die durch Anregung zu sogenannten Rydberg-Atomen aufgebläht wurden, wie das Team in „Nature Photonics“ berichtet. Die Technik könnte neue Möglichkeiten des Quantenrechnens eröffnen.

Dank quantenphysikalischer Phänomene wie der Verschränkung und Überlagerung können Quantencomputer viele Aufgaben schneller lösen als klassische Computer. Als Recheneinheiten dienen dabei Quantenbits aus Ionen oder aus Ladungspunkten in supraleitendem Material. Ähnlich wie die logischen Schaltkreise in gängigen Rechnern sind auch die Qubits zu logischen Gattern zusammengeschaltet. Um Störeffekte der Umwelt zu vermeiden, sollten die Qubits in diesen Quantengattern möglichst schnell interagieren – schneller als sie mit externen Faktoren koppeln können.

Rydberg-Atom
Bei einem Rydberg-Atom kreist ein Elektron viel weiter außen als normal. Im Quantengatter diente dieser Wechsel des Zustands als 0 oder 1. © Takafumi Tomita/ IMS

„Aufgeblähte“ Atome als Qubits

Einen neuen Temporekord für Quantengatter haben nun Yeelai Chew und seine Kollegen vom japanischen Nationalinstitut für Naturwissenschaften in Okazaki aufgestellt. Für ihre Studie nutzten sie zwei ultrakalte Rubidiumatome als Qubits, die mithilfe einer Laserpinzette im Abstand von 1,5 bis fünf Mikrometern platziert wurden. Dann wurden diese Atome durch zwei weitere Pulse in Rydberg-Atome umgewandelt. Dabei springen zwei Elektronen aus dem Innenbereich der Atomhülle auf extrem weit außen liegende Bahnen, wodurch die Atomhülle stark aufgebläht wird.

Der Clou dabei: Die Rydbergzustände beider Atome waren miteinander verschränkt und bildeten dabei ein sogenanntes CZ-Gatter. Bei diesem logischen Gatter wechselt das erste Atom nur dann seinen Zustand, wenn das zweite Qubit in dem einer digitalen „Eins“ entsprechenden Zustand ist. Steht das zweite Qubit hingegen auf „Null, bleibt der Wechsel auch beim ersten aus. Durch gezielte Messung der Zustandswechsel konnte das Team ermitteln, ob dieses Quantengatter korrekt funktionierte, und auch, wie schnell es reagierte.

CZ-Quantengatter
Funktionsweise des CZ-Quantengatters: Steht Atom 1 auf „0“, passiert nichts, steht es auf „1“, wechselt Atom 2 seinen Zustand. © Takafumi Tomita/ IMS

Neuer Rekord für Zwei-Qubit-Gatter

Die Messungen ergaben: Das CZ-Quantengatter aus Rydberg-Atomen benötigt nur 6,5 Nanosekunden für eine Schaltung – das ist ein neuer Rekord für die im Quantenrechnen besonders wichtigen Zwei-Qubit-Quantengatter, wie Chew und seine Kollegen berichten. Ihr CZ-Quantengatter ist doppelt so schnell wie der vorherige Rekord eines Google-Quantencomputers aus supraleitenden Qubits und 100-mal schneller als bei jedem anderen Rydberg-Experiment bisher.

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Besonders interessant sind solche schnellen Quantengatter deshalb, weil sie schneller reagieren können als das Störrauschen – die Umwelteinflüsse, die die sensiblen Zustände von Überlagerung und Verschränkung zusammenbrechen lassen. „Weil der zeitliche Maßstab des Rauschens meist langsamer ist als eine Mikrosekunde, kann ein ultraschnelles Quantengatter dessen Effekt unterlaufen“, erklären die Physiker. Ihr neues CZ-Gatter reagiert zwei Größenordnungen schneller als die Störeffekte.

Rydberg-Atome als Qubits der Zukunft?

Nach Ansicht des Forschungsteams eröffnet dies neue Möglichkeiten für neuartige ultraschnelle Zwei-Qubit-Gatter. Gleichzeitig könnte dies auch Rydberg-Atome als Qubits attraktiver machen. Vielleicht, so Chew und sein Team, könnten sich solche Rydberg-Quantenbits künftig sogar der gegenüber der Konkurrenz durch Ionen und Supraleiter-Qubits als überlegen erweisen.

„Diese Plattform ultrakalter Atome entwickelt sich zu einem der vielversprechendsten Kandidaten für Quantencomputer-Hardware“, konstatieren die Forscher. Das revolutionäre Potenzial dieser Qubits liege vor allem darin, dass sie sich leichter hochskalieren lassen, ohne ihre Kohärenz zu verlieren. Das Interesse von Forschung und Industrie an Rydberg-Atomen als Quantencomputer-Plattforme nehme daher immer weiter zu. (Nature Photonics, 2022; doi: 10.1038/s41566-022-01047-2)

Quelle: National Institutes of Natural Sciences Japan

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