Rennbahn für Qubits

Stetig steigen die Schalt­geschwindig­keiten in Computer­chips an. Gleichzeitig führt die schnellere Steuerung der Quanten­zustände im atomaren Bereich zu Entwicklungs­sprüngen im Bereich der Quanten­technologie. Eine inter­nationale Koope­ration von Physikern unter Beteiligung der Universität Konstanz fand nun eine neue Methode für die schnellere Steuerung eines Quanten­bits. Ihnen gelang es, mit einzelnen Kristall­defekten in Diamant Quanten­systeme zu erzeugen, die bei hoher Geschwin­digkeit weniger fehler­anfällig waren.

Guido Burkard und Adrian Auer von der Universität Konstanz betei­ligten sich mit der Model­lierung der durch äußere Einwirkung ent­standenen Fehler sowie der Auswertung der experimen­tellen Daten. Burkard, ein Experte im Bereich Diamant-basierter Quanten­systeme, sagt: „Vielver­sprechend für den Einsatz dieser Techniken auch außerhalb des Labors ist, dass sie auch dann effektiv sind, wenn das Quanten­system nicht perfekt isoliert ist.“ Zum Verständnis des Experiments können ovale Rennstrecken wie etwa die in Indiana­polis dienen. Damit die Rennautos die Kurven mit hoher Geschwin­digkeit durchfahren können, sind diese bis zu 30 Grad geneigt. Nach der Newtonschen Mechanik ermöglicht diese Innenneigung der Fahrbahn, die Zentri­fugalbe­schleunigung des Autos zu vermindern. Je höher die Geschwin­digkeit, desto steiler muss die Kurve sein.

„Die Dynamik von Quanten­partikeln verhält sich analog“, sagt Aashish Clerk, Professor für Theore­tische Physik an der McGill University in Montréal, Kanada. „Auch wenn die Bewegungs­gleichungen unter­schiedlich sind, so muss man doch auch die richtige Bahn entwerfen, um den Quanten­zustand eines Partikels mit hoher Geschwin­digkeit zu verändern." Clerk entwickelte zusammen mit seinen Kollegen Alexandre Baksic und Hugo Ribeiro eine neue Technik, die schnellere Quanten­dynamik ermöglicht, indem störende Beschleu­nigungen, denen der Quanten­partikel ausgesetzt ist, absorbiert werden. Werden diese Beschleu­nigungen nicht kompensiert, lenken sie den Partikel von seiner ange­strebten Bahn im Raum des Quanten­zustandes ab, ähnlich wie die Zentri­fugalbe­schleuni­gung das Rennauto von seinem geplanten Kurs abbringt.

Nun stellten die Forscher fest, dass man mit der neuen Theorie die Diamant-basierten Quanten­systeme schneller machen kann. Genau wie die Steil­kurven eine Heraus­forderung darstellten, war es anspruchsvoll, die von Clerk und seinen Kollegen geplanten Kontroll­sequenzen in der Quanten­technik experimen­tell durch­zuführen. Um die Quanten­rennbahn zu bauen, musste ein synchro­nisierter Laser­impuls auf einzelne Elektronen gelenkt werden, die an Defekten innerhalb ihres Diamant-Chips eingeschlossen sind.

„Wir konnten zeigen, dass diese neue Anordnung den Zustand eines Quanten­bits 300 mal schneller als konven­tionelle Methoden von ‚aus‘ zu ‚an‘ ändern kann", sagt Awschalom. „Es zählt jede Nanosekunde, die wir in der Durch­führungs­zeit einsparen können, um die Auswirkung der Quanten­dekohärenz zu reduzieren“, erklärt er. Die Wissen­schaftler gehen davon aus, dass ihre Methoden für eine schnelle und präzise Steuerung der physi­kalischen Bewegung von Atomen oder den Transfer von Quanten­zuständen zwischen verschiedenen Systemen Anwendung finden können, zum Beispiel für sichere Kommuni­kation und Simu­lationen komplexer Systeme.

U Konstanz / JOL