Zwanzig Qubits in der Falle

Tot oder lebendig, links­drehend oder rechtsdrehend – in der Quantenwelt können Teilchen wie die berühmte Analogie von Schrödingers Katze all das gleichzeitig sein. Einem inter­nationalen Team, darunter Forscher mehrerer amerikanischer Universitäten, ist es nun gemeinsam mit Experten des Forschungs­zentrums Jülich gelungen, zwanzig verschränkte Quantenbits in einen solchen Zustand der Überlagerung zu versetzen. Die Erzeugung derartiger Überlagerungs­zustände gilt als wichtiger Schritt für die Entwicklung von Quanten­computern, die klassische Rechner bei der Lösung bestimmter Aufgaben weit übertreffen könnten.

Bereits seit Beginn der 1980er Jahre sind Forscher in der Lage, diese Überlagerung von Quanten­zuständen mittels verschiedener Ansätze experimentell im Labor zu realisieren. „Diese Überlagerungs­zustände sind allerdings extrem empfindlich. Schon kleinste thermische Wechselwirkungen mit der Umgebung lassen sie kollabieren“, sagt Tommaso Calarco vom Forschungs­zentrum Jülich. Er spielt unter anderem eine führende Rolle in Europas großer Quanteninitiative, dem Quanten-Flaggschiff­programm der EU. „Aus diesem Grund kann man bis jetzt auch nur deutlich weniger Quantenbits im Zustand von Schrödingers Katze realisieren als solche, die unabhängig voneinander existieren.“

Von Letzteren können Forscher mittlerweile mehr als fünfzig in Labor­experimenten kontrollieren. Doch diese Qubits weisen nicht die besonderen Merkmale von Schrödingers Katze auf; anders dagegen die zwanzig Qubits, die das Forscherteam nun mithilfe eines programmier­baren Quanten­simulators erzeugt haben: ein Rekordwert, der selbst dann noch gilt, wenn man andere physikalische Ansätze mit optischen Photonen, Ionenfallen oder supraleitenden Schalt­kreisen berücksichtigt. „Qubits im Katzenzustand gelten für die Entwicklung von Quanten­technologien als das höchste Gut“, erklärt Jian Cui. „Denn in der Überlagerung steckt das Geheimnis der ungeheuren Leistungs­fähigkeit, die man sich von zukünftigen Quanten­computern verspricht,“ so der Physiker vom Jülicher Peter Grünberg Institut.

Klassische Bits in einem herkömmlichen Rechner haben immer nur einen bestimmten Wert, der sich beispielsweise aus 0 und 1 zusammensetzt. Sie lassen sich daher nur Bit für Bit nacheinander pro­zessieren. Qubits, die aufgrund des Überlagerungsprinzips mehrere Zustände gleichzeitig annehmen, können dagegen mehrere Werte parallel in einem Schritt speichern und verarbeiten. Ganz entscheidend ist dabei die Anzahl der Qubits. Mit einer Handvoll kommt man noch nicht weit. Aber bei zwanzig Qubits liegt die Zahl der sich über­lagernden Zustände bereits bei über einer Million. Und 300 Qubits können mehr Zahlen gleichzeitig speichern, als es Teilchen im Universum gibt.

Die neue Bestmarke kommt diesem Wert nun ein Stückchen näher, nachdem der alte Rekord von 14 Qubits seit 2011 unverändert bestand. Für ihr Experiment nutzten die Forscher einen program­mierbaren Quanten­simulator mit Atomen, die sich im Rydberg-Zustand befinden. Bei diesem Verfahren werden einzelne Atome, in diesem Fall Rubidium­atome, mithilfe von Laser­strahlen eingefangen und neben­einander in einer Reihe auf ihrem Platz gehalten. Die Technik ist als optische Pinzette bekannt. Ein weiterer zusätzlicher Laser regt die Atome an, bis etwa die Hälfte von ihnen den Rydberg-Zustand erreicht, bei dem sich die Elektronen weit jenseits des Kerns befinden. 

Dieser Prozess ist relativ kompliziert und nimmt klassischer­weise so viel Zeit in Anspruch, dass der empfindliche Zustand in der Zwischenzeit schon wieder zerfällt. Die Forscher konnten diese Vorbereitungs­zeit minimieren, indem sie die Art und Weise veränderten, wie der zweite Laser an- und ausgeschaltet wird – und ermöglichten so den neuen Rekord. „Wir blähen die Atome praktisch soweit auf, bis ihre Atomhüllen mit den benachbarten Atomen verschmelzen und simultan zwei entgegen­gesetzte Konfi­gurationen einnehmen“, erklärt Jian Cui. „Das geht soweit, dass sich die Wellenfunktionen wie bei Schrödingers Katze überlagern und wir einen Zustand nachweisen konnten, der auch als Greenberger–Horne–Zeilinger-Zustand bezeichnet wird.“

Komplettiert wurde der Erfolg für die Quanten­forschung durch eine weitere Arbeit einer chinesischen Forschungs­gruppe. Den Forschern ist es gelungen, mithilfe von supra­leitenden Schaltkreisen 18 Qubits im Greenberger–Horne–Zeilinger-Zustand zu realisieren, was für diesen experi­mentellen Ansatz ebenfalls einen neuen Rekord darstellt.

FZJ / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichungen
  C. Song et al.: Generation of multicomponent atomic Schrödinger cat states of up to 20 qubits, Science 365, 574 (2019); DOI: 10.1126/science.aay0600
• A. Omran et al.: Generation and manipulation of Schrödinger cat states in Rydberg atom arrays, Science 365, 570 (2019); DOI: 10.1126/science.aax9743
• Peter Grünberg Institut – Quantum Control, Forschungszentrum Jülich