Optische Verdrahtung für grosse Quantencomputer

Es ist nicht einfach, mit einem Laserpointer w?hrend einer Pr?sentation einen bestimmten Punkt auf einer Leinwand zu treffen ¨C schon das kleinste nerv?se Zittern in der Hand wird auf dem weit entfernten Schirm zu einer riesigen Krakelei. Nun stelle man sich vor, man m¨¹sste das mit mehreren Laserpointern gleichzeitig tun. Genau dasselbe Problem haben Physiker, die mit Hilfe von einzelnen gefangenen Atomen Quantencomputer bauen wollen. Auch sie m¨¹ssen mit Laserstrahlen ¨C hunderten oder gar tausenden in derselben Apparatur ¨C ¨¹ber mehrere Meter so genau zielen, dass die nur wenige Mikrometer grossen Bereiche getroffen werden, in denen sich die Atome befinden. Jede ungewollte Vibration in der Apparatur st?rt den Betrieb des Quantencomputers empfindlich.

An der ETH Z¨¹rich haben nun Jonathan Home und seine Mitarbeiter am Institut f¨¹r Quantenelektronik eine neue Methode demonstriert, mit der mehrere Laserstrahlen in einem Chip pr?zise zu den richtigen Stellen geleitet werden k?nnen, und das auf so stabile Weise, dass sich sogar empfindlichste Quantenoperationen mit den Atomen ausf¨¹hren lassen.

Fernziel Quantencomputer

Quantencomputer zu bauen ist seit ¨¹ber dreissig Jahren ein ehrgeiziges Ziel von Physikern. In elektrischen Feldern gefangene Ionen, also elektrisch geladene Atome, haben sich dabei als ideale Kandidaten f¨¹r die Quanten-Bits oder Qubits erwiesen, mit denen Quantencomputer rechnen. Bislang konnten auf diese Weise Mini-Computer mit etwa einem Dutzend Qubits realisiert werden. ?Will man allerdings Quantencomputer mit mehreren tausend Qubits bauen, wie man sie wahrscheinlich f¨¹r praktisch relevante Anwendungen brauchen wird, so bestehen bei heutigen Systemen einige grosse H¨¹rden?, sagt Karan Mehta, Postdoc in Homes Labor und Erstautor der jetzt im Fachjournal ?Nature? erschienenen Studie. Konkret geht es darum, wie man Laserstrahlen ¨¹ber mehrere Meter vom Laser in eine Vakuumapparatur und schliesslich punktgenau in einen Kryostaten leitet, in dem die Ionenfallen auf wenige Grad ¨¹ber dem absoluten Nullpunkt abgek¨¹hlt werden, um thermische St?rungen zu minimieren.

Optischer Aufbau als Hindernis

?Die herk?mmliche Optik ist schon in den heutigen Systemen im kleinen Massstab eine bedeutende Rausch- und Fehlerquelle ¨C und es wird immer schwieriger, das im Zaum zu halten, je gr?sser die Computer werden?, erkl?rt Mehta. Je mehr Qubits man hinzuf¨¹gt, desto komplexer wird auch die Optik f¨¹r die Laserstrahlen, die zur Steuerung der Qubits n?tig sind. ?Dort setzt unser Konzept an?, f¨¹gt Chi Zhang, Doktorand in Homes Arbeitsgruppe, hinzu: ?Indem wir winzige Wellenleiter in die Chips integrieren, auf denen sich die Elektroden zum Einfangen der Ionen befinden, k?nnen wir das Licht direkt zu den Ionen leiten. Vibrationen des Kryostaten oder anderer Bauteile verursachen daher wesentlich weniger St?rungen.?

Die Forscher liessen in einem kommerziellen Halbleiterwerk Chips herstellen, die sowohl Gold-Elektroden f¨¹r die Ionenfallen als auch, in einer tieferen Schicht, Wellenleiter f¨¹r Laserlicht enthalten. An einem Ende der Chips speisen Glasfasern das Licht in die nur 100 Nanometer grossen Wellenleiter ein, wodurch die Chips effektiv in ihrem Innern optisch verdrahtet werden. Jeder Wellenleiter f¨¹hrt zu einem bestimmten Punkt auf dem Chip, wo das Licht schliesslich zu den gefangenen Ionen an der Oberfl?che umgelenkt wird.

In einer vor wenigen Jahren ver?ffentlichten Arbeit (von einigen der Autoren der jetzigen Studie, gemeinsam mit Forschenden des MIT und des dortigen Lincoln Laboratory) konnte bereits gezeigt werden, dass dieser Ansatz grunds?tzlich funktioniert. Nun hat die ETH-Gruppe die Technik weiterentwickelt und so weit verfeinert, dass man mit ihr auch fehlerarme Quanten-Logikgatter zwischen verschiedenen Atomen ausf¨¹hren kann, eine wichtige Voraussetzung f¨¹r den Bau von Quantencomputern.

Logikgatter mit hoher Wiedergabetreue

In einem herk?mmlichen Computerchip werden mit Logikgattern logische Operationen wie beispielsweise AND oder NOT ausgef¨¹hrt. Will man einen Quantencomputer bauen, so muss dieser in der Lage sein, solche logischen Operationen an den Qubits auszuf¨¹hren. Das Problem dabei: Quanten-Logikgatter, die auf zwei oder mehr Qubits wirken, sind ganz besonders empfindlich gegen¨¹ber St?rungen. Denn sie erschaffen fragile quantenmechanische Zust?nde, auch als Verschr?nkungszust?nde bekannt, bei denen sich zwei Ionen gleichzeitig in einer ?berlagerung befinden.

Bei einer solchen ?berlagerung beeinflusst eine Messung an einem der Ionen das Messergebnis am anderen Ion, ohne dass die beiden in direktem Kontakt stehen. Wie gut die Herstellung dieser ?berlagerungszust?nde funktioniert ¨C wie gut also die Logikgatter sind ¨C, dr¨¹ckt man anhand der so genannten Wiedergabetreue aus. ?Mit dem neuen Chip konnten wir Logikgatter mit zwei Qubits ausf¨¹hren und mit ihnen Verschr?nkungszust?nde mit einer Wiedergabetreue herstellen, wie sie bisher nur in den allerbesten konventionellen Experimenten erreicht wurde?, sagt Maciej Malinowski, der als Doktorand ebenfalls am Experiment beteiligt war.

Damit haben die Forschenden gezeigt, dass ihr neuer Ansatz f¨¹r k¨¹nftige Ionenfallen-Quantenrechner interessant sein wird, da er nicht nur ?usserst stabil ist, sondern eben auch skalierbar. Derzeit untersuchen sie verschiedene Chips, mit denen bis zu zehn Qubits gleichzeitig kontrolliert werden sollen. Ausserdem arbeiten sie an neuen Designs f¨¹r schnelle und pr?zise Quantenoperationen, die durch die optische Verdrahtung m?glich werden.