Quantencomputer aus der Mikrowelle

Bei der Verarbeitung und Speicherung von Quanteninformationen sind Ionen in Mikrofallen derzeit unschlagbar. Die „Festkörper-Qubits“ in Halbleiterstrukturen können da noch nicht mithalten, ließen sich aber problemlos in großer Zahl auf einem Chip integrieren. Hier waren die Ionen-Chips bisher im Nachteil, da zahlreiche Laser benötigt wurden, um die Ionen in die gewünschten Quantenzustände zu bringen. Doch wie zwei Forschergruppen jetzt unabhängig voneinander berichten, geht es auch einfacher – mit Mikrowellen, die direkt vom Chip in der Nähe des jeweiligen Ions erzeugt werden.

Forscher um Christian Ospelkaus und Dave Wineland vom National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder haben bei Zimmertemperatur zwei Magnesium-25-Ionen über einem besonders strukturierten Chip nebeneinander in einer linearen Falle festgehalten. Die Ionen schwebten 30 µm über der Chipoberfläche, in die neben den verschiedenen Kontrollelektroden der Falle mehrere Mikrowellenelektroden eingelassen waren. Sie erzeugten hochfrequente Magnetfelder, mit denen die Quantenzustände der beiden Ionen beeinflusst werden konnten.

Zunächst wurden die Ionen mit Laserlicht optisch gekühlt und in einen von zwei Hyperfein-zuständen gebracht, die die Rolle von Qubit-Zuständen spielten. Jedes Ion konnte jetzt ein Qubit speichern. Das Laserlicht wurde dann nur noch benötigt, um die Qubits auszulesen. Zur Verarbeitung der Qubits wurden hingegen magnetische Mikrowellenfelder benutzt. Dass sich ein Quantengatter statt mit präzise ausgerichtetem Laserlicht auch mit Mikrowellen steuern lässt, die mit Wellenleitern an die Ionen herangeführt werden können, hatten schon im Jahr 2001 Christof Wunderlich und ein Mitarbeiter erkannt.

Die Forscher vom NIST haben nun ihre beiden Ionen mit einem Mikrowellenfeld zu Rabi-Oszillationen zwischen den beiden Qubit-Zuständen |↑> und |↓> gebracht. Ein vollständiger Zustandswechsel dauerte dabei nur knapp 19 ns, was etwa neun Größenordnungen kürzer ist als die bei ähnlichen Versuchen gemessene Kohärenzzeit der Übergänge. Es bleibt also genug Zeit, um zahlreiche solcher Operationen an einzelnen Ionen durchzuführen.

Um die beiden Ionen mit Mikrowellen in einen verschränkten Zustand zu bringen, gingen Christian Ospelkaus und seinen Kollegen folgendermaßen vor. Mit Hilfe der Mikrowellenelektroden setzten sie jedes der beiden Ionen einem Magnetfeld aus, das am Ort des jeweiligen Ions eine konstante Stärke hatte, dessen Gradient aber mit der Mikrowellenfrequenz oszillierte. Das versetzte die Ionen je nach ihrem Qubit-Zustand in unterschiedliche mechanische Schwingungen. Da sich die Schwingungen der beiden Ionen in der Falle gegenseitig beeinflussten, nahmen die Ionen einen verschränkten Quantenzustand an.

Wie anschließende Messungen zeigten, war die Verschränkung mit Hilfe von Mikrowellen zu 76 % erfolgreich. Das reicht allerdings noch nicht an die 99,3 % heran, die Wineland und seine Kollegen mit Ionen erreicht hatten, deren Zustände mit Laserstrahlen kontrolliert wurden. Das ließe sich vielleicht durch eine Abschirmung der Mikrowellenfelder verbessern, um sicherzustellen, dass sie jeweils nur auf ein Ion wirken.

Auch Christof Wunderlich und seine Kollegen von der Universität Siegen haben einzelne Ionen in einer Mikrofalle auf einem Chip gefangen und ihren Quantenzustand mit Mikrowellenpulsen verändert. Zwar haben sie noch keine Ionenpaare mit Hilfe von Mikrowellenfeldern verschränkt, doch sie haben einen Weg gefunden, die Ionen in Zustände zu überführen, die weitgehend unempfindlich gegen das Rauschen der benutzten Magnetfelder sind. Auf diese Weise ließen sich Ionenpaare effizienter verschränken und ihr delikater Quantenzustand länger erhalten. Die Quanteninformationsverarbeitung mit einer großen Zahl von Ionen auf einem integrierten Chip ist durch beide Arbeiten ein gutes Stück näher gerückt.

Rainer Scharf