Zeitgleiche Auslese

Zwei quantenmechanisch verschränkte Qubits auf der Basis von Josephson-Kontakten lassen sich zeitgleich auslesen.

Santa Barbara/Boulder (USA) - Der Spin von Elektronen und Atomen oder die Polarisation von Lichtteilchen: Viele Systeme eignen sich prinzipiell für den Aufbau zukünftiger Quantencomputer. Amerikanischen Physikern gelang nun ein großer Schritt hin zum exakten Auslesen digitaler Quanteninformationen mit Josephson-Kontakten aus einer Sandwich-Struktur mit Supraleitern. Erstmals konnten sie zeitgleich die Quantenzustände zweier miteinander verknüpfter "Qubits" bestimmen. In der Fachzeitschrift "Science" beschreiben sie, wieso ihre "künstlichen Atome" die Basis für einen Quantencomputer legen könnte.

Zwei miteinander gekoppelte Quantenbits aus Josephson-Kontakten (Quelle: Science)

"Die Messung von einem Zustand eines Quantenbits kann den Zustand des jeweils anderen stören und so die Quanteninformation vernichten", erklären Robert McDermott von der University of California in Santa Barbara und seine Kollegen vom NIST in Boulder (National Institute of Standards and Technology). Genau dieses Problem wollen sie nun mit ihrem System aus zwei quantenmechanisch verschränkten Qubits auf der Basis von Josephson-Kontakten gelöst haben. Der Schlüssel dazu lag nach ihren Angaben im richtigen Zeitpunkt, zu dem sie die winzigen Schwankungen eines magnetischen Feldes innerhalb der supraleitenden Qubits bestimmt haben.

Im Unterschied zu den diskreten Quantenzuständen "echter" Atome werden die natürlichen Oszillationen zwischen zwei Quantenzuständen durch ein Wellenmuster elektrischer Ströme nachgestellt. Die Frequenzen solcher Schwingungen liegen im Gigahertz-Bereich. In einem Josephson-Kontakt werden dazu nahe dem absoluten Nullpunkt (30 Millikelvin) zwei supraleitende Metallstücke durch eine dünne Isolatorschicht voneinander getrennt. Durch diese können auf der Grundlage quantenmechanischer Effekte dennoch winzige Ströme tunneln. Mit einer hochempfindlichen Magnetsonde (einem SQUID - superconducting quantum interference device) lassen sich winzige Änderungen in dem resultieren Magnetfeld innerhalb des Josephson-Kontaktes messen. Dazu ließen die Forscher einen fünf Nanosekunden kurzen Spannungspuls auf ihr Quantenbit wirken. Danach befindet sich das Qubit entweder im angeregten Zustand - entsprechend einer digitalen "1" - oder in einem Grundzustand, die eine "0" charakterisiert.

Durch die geschickte Wahl der Messzeitpunkte war es nun möglich, diese Zustände von zwei miteinander verknüpften Qubits fast zeitgleich zu messen. Das Problem des "Crosstalks" - der Störung des Systems durch den Messvorgang - konnten McDermott und Kollegen so umgehen. "Diese Ergebnisse beweisen, dass Zwei-Qubit-Operationen, in denen die Quanteninformation geteilt und manipuliert wird, in solchen Festkörper-Systemen möglich sind", beurteilt Hans E. Mooij von der Technischen Universität Delft diese Resultate in einem ebenfalls in "Science" veröffentlichten Kommentar. "Diese Qubits könnten im Prinzip für den Aufbau eines großen Quantencomputers geeignet sein."

Ein weiterer Grund für diesen Optimismus ist die leichtere Herstellung solche "Festkörper-Qubits" im Vergleich zu miteinander verschränkten Atom- oder Photonen-Systeme. Denn Josephson-Kontakte aus filigranen Supraleiter-Schichten lassen sich schon heute mit den etablierten Methoden der Chiphersteller aufbauen. "Doch ganz gleich ob Quantencomputing jemals praktisch umsetzbar wird", sagt der an der aktuellen Studie beteiligte Physiker Ray Simmonds vom NIST, "liefert diese Arbeit neue Wege, um die Quantenwelt elektrischer Systeme zu designen, zu kontrollieren und zu messen." Schon jetzt hätten die Autoren dieses Berichts Quantensysteme auf der Nanoebene beobachtet, die nie zuvor gesehen wurden.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  R. McDermott et al., Simultaneous State Measurement of Coupled Josephson Phase Qubits, Science 307, 1299 (2005)   
• Hans E. Mooij, The Road to Quantum Computing, Science 307 (2005)   
• Department of Physics, University of California,Santa Barbara:
  http://www.physics.ucsb.edu   
• National Institute of Standards and Technology: 
  http://www.physics.ucsb.edu   
• Hintergrund Qubit: 
  http://de.wikipedia.org/wiki/Qubit  

Weitere Literatur:

• M. A. Nielsen, I. L. Chuang, Quantum Computation and Quantum Information (Cambridge Univ. Press,Cambridge, 2000).   
• J. M. Martinis, S. Nam, J. Aumentado, C. Urbina, Phys. Rev. Lett. 89, 117901 (2002).   
• M. H. Devoret, A. Walraff, J. M. Martinis, http://arxiv.org/abs/cond-mat/0411174.   
• T. Yamamoto, Yu. A. Pashkin, O. Astaflev, Y. Nakamura, J. S. Tsai, Nature 425, 942