Verschränkung von drei supraleitenden Quantenbits

Forschern gelingt wichtiger Schritt für die Fehlerkorrektur in Quantencomputern.

Anwendungen in den zukunftsträchtigen Bereichen Quantenkommunikation und Quantencomputing basieren grundlegend auf der Fähigkeit zur Herstellung und Messung verschränkter Zustände. Mit verschränkten Zuständen von zwei Qubits in supraleitenden Versuchsanordnungen konnten bereits Quantenalgorithmen implementiert werden. Andererseits gelang die Verschränkung von bis zu zehn Qubits bei Photonen, Ionen und nuklearen Spins. Doch bislang gelang es nicht, mehr als zwei Qubits in einem technischen System zu verschränken.

Abb.: Quantenschaltkreis aus vier Qubits. Drei davon konnten die Forscher in einen verschränkten Zustand versetzen. (Bild: Matthew Neeley)

Jetzt berichten gleich zwei Forscherteams von der Realisierung eines aus drei Qubits bestehenden verschränkten Systems aus supraleitenden Schaltkreisen. Leonardo DiCarlo von der Yale University und seine Kollegen haben einen so genannten Greenberger-Horne-Zeilinger-Zustand aus drei Qubits erzeugt und zeigen, wie sich ihre Produktionsmethode als erster Schritt für ein einfaches Quanten-Fehlerkorrekturprogramm verwenden lässt. Auch John Martinis von der University of California in Santa Barbara und sein Team haben mit Supraleitern solche GHZ-Zustände produziert. Außerdem haben sie einen effizienten Weg gefunden, um so genannte W-Zustände aus ebenfalls drei verschränkten Qubits herzustellen.

Der GHZ-Zustand ist ein Zustand maximaler Verschränkung von drei Qubits: Es handelt sich um die Superposition des Zustands, in dem alle Qubits denn Wert 0 haben, mit dem Zustand, in dem alle Qubits den Wert 1 haben. Im Gegensatz dazu ist der W-Zustand eine Superposition der drei Zustände, bei denen jeweils ein Qubit den Wert 1 und die beiden anderen den Wert 0 haben. Ein Vorteil des W-Zustands ist, dass beim Verlust eines der drei Qubits ein verschränktes Paar zurückbleibt, während der GHZ-Zustand in so einer Situation völlig zerfällt.

Beide Forschungsgruppen verwenden in ihren Schaltkreisen Qubits auf der Basis von Cooper-Paaren, also Elektronen-Paaren in supraleitendem Material, die in Hohlraumresonatoren eingebettet sind und deren Zustände durch die Einstrahlung gepulster Mikrowellenstrahlung gesteuert werden kann. Die experimentelle Herausforderung besteht bei solchen Versuchen unter anderem darin, zu überprüfen, ob der gewünschte Zustand und insbesondere die Verschränkung hergestellt wurden. Wegen der statistischen Natur quantenmechanischen Messungen muss ein Zustand dafür viele tausendmal auf identische Weise hergestellt und vermessen werden. Aus den gewonnen Messdaten lässt sich dann die wahrscheinlichste physikalische Beschreibung in Form der Dichtematrix des Qubit-Systems bestimmen.

Die Messungen von DiCarlo und seinem Team zeigen in 88 Prozent der Fälle eine Verschränkung zwischen den drei Qubits im GHZ-Zustand. Bei Martinis und seinen Kollegen liegt die Rate für die GHZ-Verschränkung bei 62 Prozent, W-Zustände finden die Forscher der University of California mit einer Wahrscheinlichkeit von 78 Prozent. Das Team von Martinis konnte außerdem zeigen, dass der Zustand der drei Qubits nicht biseparabel ist, sich also nicht in eine paarweise Verschränkung aufteilen lässt, sondern eine genuine Verschränkung aller drei Qubits ist.

Die Forscher der Yale University gingen sogar noch einen Schritt weiter: Mithilfe eines so genannten Wiederholungscodes übertrugen DiCarlo und seine Kollegen den Zustand eines weiteren Qubits auf die drei Qubits des verschränkten Systems. Damit konnten die Forscher den ersten Schritt einer Fehlerkorrektur in einem Quanteninformations-System realisieren. Fehler können beispielsweise durch kosmische Strahlungspartikel in ein solches System induziert werden, die eine 0 in eine 1 umwandeln oder umgekehrt. Die Wiederholung der Information in einem verschränkten System aus Qubits erlaubt es, solche Fehler abzufangen.

Rainer Kayser

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichungen:
  L. DiCarlo et al.: Preparation and measurement of three-qubit entanglement in a superconducting circuit. Nature 467, 574 (2010)
  dx.doi.org/10.1038/nature09416
  M. Neeley et al.: Generation of three-qubit entangled states using superconducting phase qubits. Nature 467, 570 (2010)
  dx.doi.org/10.1038/nature09418
• Yale University:
  www.yale.edu/
• University of California, Santa Barbara:
  www.ucsb.edu/

AL