Quanten im Takt: Feedback-Kontrolle von Quanten-Oszillationen

Berkeley (USA) - Nicht nur beim Tempomat und beim Herzschrittmacher spielt die kontinuierliche, feedbackgestützte Zustandskontrolle eine wichtige Rolle. Auch für die Quanteninformationsverarbeitung ist es wünschenswert, Fehler korrigieren und Zustände stabilisieren zu können. Denn durch Quantenfluktuationen werden laufend Störungen verursacht. Nun haben amerikanische Forscher im Fachblatt „Nature“ ein Verfahren vorgestellt, um ein supraleitendes Quantenbit mit Hilfe von Mikrowellenstrahlung in einem wohldefinierten Oszillationszustand zu halten. Bei diesen sogenannten Rabi-Oszillationen wechselt ein Quant zwischen zwei Zuständen hin und her, so wie ein Elektron in kohärentem Licht der passenden Wellenlänge zwischen dem Grundzustand und dem ersten angeregten Zustand pendelt. Üblicherweise gerät ein oszillierendes Quantensystem innerhalb sehr kurzer Zeit aufgrund von Quantenfluktuationen und Dämpfungseffekten außer Takt. Die Forscher konnten die Feedback-Kontrolle ihres supraleitendes Quantenbits erreichen, indem sie seinen Zustand durch schwache Mikrowellenmessungen ermittelten und dann das Anregungsfeld über einen einfachen Algorithmus nachjustierten.

„Wir haben ein kontinuierliches, analoges Feedback-Schema entworfen, um Rabi-Oszillationen in einem supraleitenden Quantenbit zu stabilisieren, so dass diese unbegrenzt weiterlaufen“, berichtet Rajamani Vijayaraghavan von der Universität Berkeley. Ein besonderes Problem bei Quantenmessungen liegt darin, dass die Kontrollmessungen den Zustand des Quantenbits stören können. Dies verstärkt den ohnehin vorhandenen Untergrund an Rauschen, den man vermeiden will. Die Forscher bedienten sich zur Zustandsbestimmung deshalb sogenannter schwacher Messungen, bei denen sich im Schnitt weniger als ein Photon an Mikrowellenstrahlung im Resonator befindet. Dieses schwache Messfeld konnten sie über einen Verstärker auslesen und dadurch den Zustand des Quantenbits mit hoher Genauigkeit bestimmen. Über die Feedback-Schleife konnten die Forscher dann das Anregungsfeld so modulieren, dass das Quantenbit wieder in Takt gebracht wird.

Dank dieses Verfahrens konnten die Forscher die Zeit, in der das System in kohärenter Schwingung bleibt, praktisch beliebig ausdehnen. Die Feedback-Kontrolle war zwar nicht perfekt, reichte aber, um das Quantenbit ungefähr im Takt zu halten. Allerdings befand es sich zu ungefähr zehn Prozent der Zeit in einem höheren angeregten Zustand und damit außerhalb der beiden für eine Rabi-Oszillation angestrebten Zustände, d.h. dem Grundzustand und dem ersten angeregten Zustand. Hierdurch erfuhr das Quantenbit einen Energieverlust, der zu leichten Schwankungen führte. Doch im Vergleich zu unkontrollierten Oszillationen, die innerhalb von Mikrosekunden aus dem Takt geraten, ist die nun erzielte dauerhafte Kontrolle ein großer Fortschritt für die Festkörper-Quanteninformationsverarbeitung. Wie Vijayaraghavan berichtet, hoffen die Forscher, ihr Verfahren in Zukunft auch auf verschränkte Quantenbits ausdehnen zu können.