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Ionen als Quantenbits

Weltrekord: Rechnen mit 14 Quantenbits

Ihren eigenen, seit 2005 gehaltenen Rekord haben Innsbrucker Physiker nun verbessert: Sie haben 14 sogenannte Quantenbits kontrolliert miteinander verschränkt und so ein Quantenregister mit den bisher meisten Recheneinheiten gebaut.

Physik 01.04.2011

Der bisherige Spitzenwert war ein" Quanten-Byte", das aus acht miteinander verschränkten Teilchen bestand. Die Studie stellt nach Angaben der Autoren einen weiteren Schritt auf dem Weg zu einem zukünftigen Quantencomputer dar.

Jein als physikalisches Prinzip

Die Studie

"14-Qubit Entanglement: Creation and Coherence" wurde in den "Physical Review Letters" (106, 130506) veröffentlicht.

In der herkömmlichen Informationstechnologie ist das Bit die kleinste Informationseinheit, das zwei Zustände - etwa Ja/Nein oder 0/1 - einnehmen kann. Beim Quantencomputer ist das anders: Weil dabei die Gesetze der Quantenwelt gelten, kann sich ein Teilchen (als kleinste Informationseinheit) gleichsam im Schwebezustand zwischen zwei Möglichkeiten befinden, also nicht nur den Wert 0 oder 1 einnehmen, sondern auch alle Werte dazwischen.

Verschränkt man zudem noch mehrere Quantenbits, bekommt man schon einen kleinen Quantencomputer, der bestimmte Probleme wesentlich schneller lösen kann als ein klassischer Computer. Verschränkung ist ein quantenmechanisches Phänomen, das schon Albert Einstein als "spukhafte Fernwirkung" bezeichnet hat. Sind zwei Teilchen miteinander verschränkt, so bleiben sie über beliebige Distanzen wie durch Zauberhand miteinander verbunden. Was immer man mit einem Teilchen tut, beeinflusst sofort auch den Zustand des anderen Teilchens.

Alter Rekord: Quanten-Byte

2005 konnten die Physiker um Rainer Blatt vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Akademie der Wissenschaftlen und dem Institut für Experimentalphysik der Uni Innsbruck erstmals acht Kalzium-Ionen - aufgefädelt wie Perlen - in einer elektromagnetischen Falle platzieren und durch gezielte Manipulation mit Lasern verschränken. Es war dies das erste "Quanten-Byte", ein kleiner Quantencomputer mit acht Recheneinheiten.

Störquelle: Super-Dekohärenz

Nun haben die Innsbrucker Wissenschaftler ihren Rekord nahezu verdoppelt: Es gelang ihnen, 14 Kalzium-Ionen in einer Falle aufzureihen und zu verschränken. Damit entsteht ein Quantenregister mit 14 Recheneinheiten. Sie haben dabei aber auch eine neue, überraschende Eigenschaft der Quantenwelt festgestellt:

Die Empfindlichkeit gegenüber Störungen nimmt mit der Anzahl der verschränkten Teilchen nicht linear, sonder quadratisch zu. Je mehr Teilchen verschränkt werden, umso empfindlicher wird das System gegenüber Störungen. "Wir bezeichnen das als Super-Dekohärenz, ein Phänomen, das bisher in der Quanteninformation kaum wahrgenommen wurde", so Thomas Monz, Nachwuchsforscher im Team von Rainer Blatt.

Die Innsbrucker Physiker schaffen es mittlerweile, bis zu 64 Teilchen in Ionenfallen zu fangen. Noch können sie allerdings diese große Zahl von Ionen nicht verschränken. Möglicherweise ist das aber auf dem Weg zu einem Quantencomputer gar nicht nötig.

Erst vor wenigen Wochen hat Blatt und sein Team in der Fachzeitschrift "Nature" gezeigt, dass Ionen auch mittels elektromagnetischer Kopplung verschränkt werden können. Mehrere kleine Teilchenpakete kommunizieren dabei quasi per Funk miteinander. Mit dieser Methode ließen sich viele kleine Quantenregister auf einem Mikrochip effizient miteinander verknüpfen.

Diese verschiedenen Konzepte sind für Rainer Blatt "Lego-Bausteine" für einen zukünftigen Quantencomputer. "Jetzt geht es darum, diese zusammenzubauen und zu hoffen, dass das Haus nicht einstürzt."

science.ORF.at/APA

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