Quantensimulator mit mehr als 200 Qubits

Boulder (USA) - Quantencomputer können – rein theoretisch – komplexe Probleme sehr viel effizienter und schneller lösen als die besten heute verfügbaren Supercomputer. Als Vorstufe für einen solchen Quantenrechner entwickelten nun amerikanische Physiker einen Quantensimulator, in dem 219 Berylliumionen miteinander gekoppelt wurden. Dieser Zustand wird auch als Verschränkung bezeichnet. Mit diesem Experiment, das die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift „Science“ beschreiben, stellten sie einen neuen Rekord auf für die Anzahl der Recheneinheiten für Quantencomputer, der sogenannten Qubits.

„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 Quantenzustand über, der als Superposition bezeichnet wird. Der Spin der Ionen war dabei gleichzeitig sowohl nach oben als 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, sprich verschränken. Dank der Superposition und der Verschränkung könnten Qubits in Zukunft zur Berechnung komplexer Probleme eingesetzt werden.

Als Beweis für die erfolgreiche Verschränkung 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 für die zuvor vorliegende Verschränkung der 219 Ionen. Ohne Verschränkung wäre das Störrauschen signifikant stärker gewesen.

Mit diesem Grundlagenexperiment zeigten Bohnet und Kollegen, dass hunderte Ionen zu miteinander verschränkten Qubits angeordnet und kontrolliert werden können. Damit empfehlen sich Ionen quasi als Hardware für die zukünftige Entwicklung von Quantencomputern. Quantenmechanisch gekoppelte Ionen könnten aber auch neue Impulse für andere Forschungsbereiche geben. „Mit der Reduktion des Quantenrauschens könnte diese Art der Verschränkung auch für verbesserte Atomuhren nützlich sein“, sagt Bohnet.