Quantencomputer

Licht soll Quantenrechner antreiben – Quantenlogik mit Photonen

| Autor / Redakteur: Peter Hergersberg* / Dr. Anna-Lena Gutberlet

Ein universelles Quantengatter: Max-Planck-Physiker lassen zwei Photonen (rechts) miteinander wechselwirken, indem sie ein Atom in einem Resonator als Vermittler verwenden. Der Resonator besteht aus zwei Spiegeln, zwischen denen das Atom mit einem Laser festgehalten wird.
Ein universelles Quantengatter: Max-Planck-Physiker lassen zwei Photonen (rechts) miteinander wechselwirken, indem sie ein Atom in einem Resonator als Vermittler verwenden. Der Resonator besteht aus zwei Spiegeln, zwischen denen das Atom mit einem Laser festgehalten wird. (Bild: MPI für Quantenoptik / S. Welte)

Auch wenn die Kämpfe der Jedi und Sith mit ihren Laser-Schwertern in der Star-Wars-Saga etwas anderes suggerieren: Lichtstrahlen spüren einander nicht. Damit sie sich bei der Verarbeitung von Quanteninformation dennoch gegenseitig schalten können, haben Forscher nun ein universelles Quantengatter entwickelt.

Lichtteilchen sind für einander weniger als Luft. Damit sie sich bei der Verarbeitung von Quanteninformation dennoch gegenseitig schalten können, haben Forscher des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching bei München nun ein universelles Quantengatter entwickelt. Quantengatter sind wesentliche Elemente eines Quantencomputers. Sie mit Photonen, also Lichtteilchen, zu schalten, hätte praktische Vorteile gegenüber einem Betrieb mit anderen Trägern von Quanteninformation.

Auch wenn die Kämpfe der Jedi und Sith mit ihren Laser-Schwertern in der Star-Wars-Saga etwas anderes suggerieren: Lichtstrahlen spüren einander nicht, und seien sie noch so intensiv – sie durchschneiden sich völlig ungehindert. Und bei einer Begegnung einzelner Lichtteilchen, wie sie für einige Anwendungen der Quanteninformationstechnologie gebraucht werden, passiert erst recht nichts. Photonen lassen sich daher auch nicht ohne weiteres durch ihresgleichen schalten, so wie es nötig ist, wenn man mit ihnen ein Quantengatter, die elementare Recheneinheit eines Quantencomputers, betreiben will.

Ein Quantencomputer kann manche Aufgabe wie etwa die Suche in Datenbanken sehr viel schneller bewältigen als herkömmliche Rechner. Zwar haben Physiker für die Superrechner der Zukunft schon Quantengatter entwickelt, etwa indem sie als kleinste Recheneinheiten Stickstoffatome einspannen, die als Verunreinigungen in Diamanten enthalten sind.

"Einen Quantencomputer mit Photonen rechnen zu lassen, hätte aber praktische Vorteile", sagt Stephan Ritter, der in der Abteilung von Gerhard Rempe am Max-Planck-Institut für Quantenoptik eine Forschungsgruppe leitet. "Denn Quanteninformation lässt sich nur in Form von Photonen über längere Strecken verschicken. Wenn wir sie mit Photonen auch verarbeiten können, müssen wir sie nicht auf andere Träger wie etwa Atome transferieren, um damit zu rechnen.

Ein Atom in einem Resonator vermittelt zwischen Lichtteilchen

Damit Photonen einander jedoch überhaupt wahrnehmen, geschweige denn sich gegenseitig schalten können, brauchen sie Vermittler. Diese Vermittlerrolle übernimmt in den Experimenten der Physiker um Stephan Ritter ein einzelnes Atom in einem Resonator.

Der Resonator besteht aus zwei Spiegeln im Abstand von 0,5 Millimetern. Das Atom halten die Garchinger Forscher mit einem Laserstrahl in dem Resonator fest.

Für ihre Versuche brauchen die Wissenschaftler nun zwei Photonen, die jeweils ein Qubit tragen. Ein Qubit ist das quantenmechanische Pendant zum Bit des klassischen Computers, kann aber nicht nur die Null und die Eins codieren, sondern auch alle möglichen Zustände dazwischen einnehmen. Die Zustände der beiden Qubits schreiben die Forscher in die Polarisation der beiden Lichtteilchen, also in die Schwingungsrichtung der elektromagnetischen Wellen.

Die beiden Photonen schicken die Max-Planck-Physiker kurz hintereinander auf das System aus Atom und Resonator. Dabei überträgt das erste Photon Information auf das Atom, indem es dessen Zustand verändert – aber nur, wenn das Photon die geeignete Polarisation dafür aufweist.

Diese Veränderung wirkt sich wiederum auf die Polarisation des zweiten Photons aus, wenn es kurze Zeit später auf das System aus Atom und Resonator trifft.

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