Universeller 2-Qubit-Prozessor mit Ionen

Große Fortschritte im Quantencomputing werden aus Boulder und Innsbruck gemeldet.

Der Weg zu einem universellen Quantencomputer, der Quantenbits statt klassischer Bits verarbeitet, ist zwar noch weit. Doch der Fortschritt scheint unaufhaltsam zu sein. Jetzt haben Wissenschaftler am NIST in Boulder einen universellen Quantenprozessor mit Ionen hergestellt, auf dem ein beliebiges Programm zur Verarbeitung von zwei Qubits laufen kann. Ebenfalls mit Ionen haben Forscher in Innsbruck einen speziellen Quantenprozessor für zwei Qubits realisiert, die weitgehend unempfindlich gegen störende Umwelteinflüsse waren. Die Universalität der Quantenprozessoren und die Robustheit der Qubits sind Meilensteine auf dem Weg zum Quantencomputer.

David Hanneke und seine Kollegen vom NIST haben für ihren universellen Prozessor zwei Beryllium- und zwei Magnesiumionen in einer linearen Paul-Falle festgehalten. Die Anordnung der Ionen war Be-Mg-Mg-Be, wobei die mit Laserlicht gekühlten Mg-Ionen als „Kühlmittel“ für die Be-Ionen dienten, die jeweils ein Qubit trugen. Die beiden Zustände |0> und |1> eines Qubits waren zwei Hyperfeinniveaus des Berylliums, die durch ein Magnetfeld unterschiedliche Energien hatten. Mit ultraviolettem Laserlicht wurden die Be-Ionen gezielt angeregt und schließlich ihr Zustand gemessen.

Der universelle Prozessor für zwei Qubits ließ sich modular aufbauen. Ein Modul ermöglichte beliebige unitäre Transformationen eines Qubits. Stellt man den Zustand des Qubits als einen vom Ursprung ausgehenden Einheitsvektor dar, so entsprechen die Transformationen einer beliebigen Drehung. Mit abgestimmten Laserpulsen, die nur auf ein Be-Ion gerichtet waren, konnten die Forscher dessen Qubit in gewünschter Weise transformieren. Ein anderes Modul transformierte zwei Qubits gleichzeitig und brachte sie in einen bestimmten verschränkten Zustand. Das erreichten die Forscher dadurch, dass sie die beiden Be-Ionen gleichzeitig mit Laserlicht bestrahlten.

Mit Hilfe dieser Dreh- und Verschränkungsmodule ließ sich ein universell programmierbarer Prozessor realisieren, der die beiden Qubits in einen beliebigen verschränkten Zustand transformierte. Das Programm des Prozessors legte die Abfolge der Module und die jeweiligen Drehungen der einzelnen Qubits fest. In aufwendigen Experimenten zeigten die NIST-Forscher, dass sie auf diese Weise tatsächlich jede beliebige Transformation zweier Qubits verlässlich durchführen konnten. Dazu wählten sie 160 verschiedene Transformationen zufällig aus dem Raum SU(4) aller möglichen unitären Transformationen aus, wandten jede auf 100 verschiedene Anfangszustände der beiden Qubits an und bestimmten die sich ergebenden Endzustände durch mehrere Messungen. Alle Transformationen lieferten in etwa 79 % der Fälle das richtige Ergebnis.

Die Verlässlichkeit des 2-Qubit-Prozessors wurde dadurch beeinträchtigt, dass „Umwelteinflüsse“ das kohärente Verhalten der beiden Qubits störten. Sowohl das Magnetfeld als auch die Frequenz und die Intensität des Laserlichts, denen die Qubits ausgesetzt waren, schwankten in unkontrollierter Weise. Thomas Monz und seine Kollegen von der Universität Innsbruck haben einen Weg gefunden, wie sie den Einfluss dieser Schwankungen auf die Qubits weitgehend unterdrücken konnten. Sie realisierten die Qubits in einem sogenannten dekohärenzfreien Unterraum. Dazu wurde jedes Qubit in den elektronischen Zuständen von zwei Kalziumionen gespeichert.

Zeitliche Schwankungen des Laserlichts und des Magnetfeldes führten dazu, dass sich die beiden Hyperfeinzustände |0> und |1> eines atomaren Qubit unterschiedlich entwickelten und ihre Kohärenz verloren. Nimmt man zwei atomare Qubits, so entwickeln sich ihre gemeinsamen Zustände |0,1> und |1,0> in gleicher Weise und bleiben weitgehend kohärent. Die Innsbrucker Forscher haben diese beiden Zustände zur Basis eines „logischen“ Qubits gemacht, das sich als sehr robust erwies. Für ihren 2-Qubit-Prozessor, der zwei logische Qubits verarbeiten konnte, benötigten sie insgesamt vier Kalziumionen, die in ähnlicher Weise mit Laserlicht anregten wurden wie die zwei Berylliumionen beim NIST-Experiment.

Allerdings wurde der Innsbrucker Prozessor nicht universell getestet sondern nur für eine spezielle Transformation, das CNOT-Gatter. Die damit erreichte Zuverlässigkeit lag bei ca. 90 %. Dabei machte sich der Zerfall von Qubits bemerkbar, der durch den spontanen Übergang zwischen den atomaren Zuständen |1> und |0> verursacht wurde. Die Forscher wollen auch noch diese Fehlerquelle ausschalten, indem sie für die Qubits zwei Unterniveaus des atomaren Grundzustandes nehmen, zwischen denen kein spontaner Übergang stattfinden kann.
 

RAINER SCHARF

• T. Monz et al.: Realization of Universal Ion-Trap Quantum Computation with Decoherence-Free Qubits. Phys. Rev. Lett. 103, 200503 (2009)
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.103.200503
  http://arxiv.org/abs/0909.3715
   
• Homepage von David Hanneke am NIST in Boulder:
  http://david.hanneke.us/
  http://www.nist.gov/public_affairs/releases/quantumprocessor_111609.html
   
• Gruppe von Rainer Blatt an der Universität Innsbruck:
  http://heart-c704.uibk.ac.at/people/rainer.blatt/index.html

• C. Langer et al.: Long-lived qubit memory using atomic ions. Phys. Rev. Lett. 95, 060502 (2005)
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.95.060502
  http://arxiv.org/abs/quant-ph/0504076
   
• K. Kim et al.: Geometric phase gate on an optical transition for ion trap quantum computation. Phys. Rev. A 77, 050303(R) (2008)
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevA.77.050303
  http://arxiv.org/abs/0710.3950
   
• H. Häffner et al.: Robust entanglement. Appl. Phys. B 81, 151 (2005)
  http://dx.doi.org/10.1007/s00340-005-1917-z
  http://arxiv.org/abs/quant-ph/0508021

KP