Quantenbits mit Reichweite

Der Quantencomputer rückt näher: Neue Forschungs­ergebnisse zeigen das Potenzial von Licht als Medium, um Informationen zwischen Quantenbits zu übertragen. Physikern der Princeton University (USA), der Universität Konstanz und des Joint Quantum Institute (Maryland, USA) ist es gelungen, Quantenbits mit dem elektro­magnetischen Feld von Licht zu koppeln. Das Verfahren ermöglicht nicht nur die Übertragung von Informationen zwischen Quantenbits, die nicht direkt neben­einander­liegen, sondern könnte auch ein störungsfreieres Auslesen der hoch­empfindlichen Quantenzustände ermöglichen.

Die Physiker erzeugten zunächst Quantenbits aus Silizium, indem sie einzelne Elektronen separierten und in Silizium­kammern namens „double quantum dots“ einschlossen. Der Spin des Elektrons dient dabei als Speichermedium der Quanten­information. Mittels eines Magnetfeldes gelang es den Forschern daraufhin, die Quanten­information des Elektronen­spins auf Licht zu übertragen.

Dieser Forschungserfolg eröffnet die Möglichkeit, Quanten­informationen per Licht auf andere Quanten­bits zu übertragen. Die Kopplung von Quantenbits, die nicht direkt benachbart sind und weiter als nur wenige Nanometer auseinander­liegen, war bis zuletzt eine der großen Heraus­forderungen der Quanten­computer-Entwicklung.

„Dieses Ergebnis gibt unserer Forschung eine ganz neue Richtung“, schildert Jason Petta, Professor für Physik an der Princeton University, und zieht einen Vergleich heran: „Wir verlassen damit eine zwei­dimensionale Landschaft, in der nur direkte Nachbarn zueinander in Kontakt stehen können, und betreten eine Welt, in der jeder mit jedem verbunden ist. Das gibt uns Flexibilität für die Anordnung der Bausteine des Quanten­computers.“

Der theoretische Rahmen des Forschungs­projekts wurde von Konstanzer Seite aus entwickelt, unter Feder­führung von Guido Burkard und Mónica Benito an der Professur für Theorie der kondensierten Materie und Quanten­information der Universität Konstanz. „Das Ergebnis eröffnet uns den Weg, das Verfahren nun auch auf komplexere Systeme zu übertragen“, gibt Burkard einen Ausblick und ergänzt: „Eine Stärke unseres silizium­basierten Ansatzes ist, dass er den Standards der Halbleiter­industrie entspricht.“

Die Forscher nehmen an, dass ihre Methode ein weiteres Problem des Quanten­computers lösen könnte: Quantenbits sind hoch­empfindlich gegenüber Stör­quellen von außen, zum Beispiel durch Erschütterungen oder Hitze. Bereits das einfache Auslesen eines Quanten­bits kann seinen Quanten­zustand zerstören. Der neue Ansatz aus Princeton, Konstanz und Maryland könnte dieses Problem umgehen, da Licht verwendet wird, um die Quanten­informationen auszulesen. Anders als bisherige Auslese­verfahren verändert Licht nur minimal die Position und den Zustand des Elektrons, das die Quanten­information trägt, und löscht sie dabei nicht.

U. Konstanz / DE