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Quantencomputer: Quantensprung mit Rydberg-Ionen

Redakteur: Kristin Rinortner

Getrappte Rydberg-Ionen des Elements Strontium könnten der nächste Schritt sein, Quantencomputer auf Größen zu skalieren, bei denen sie praktisch nutzbar sind. Mit diesen Riesen-Ionen wären 100 Millionen Rechenoperationen pro Kohärenzzeit in einem Verschränkungsgatter möglich.

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Quantencomputer: Ionenfalle mit Strontium-Ionen in der Mitte (blauer Fleck). Mit Rydberg-Ionen lassen sich Quanten-Computeroperation durchführen, die etwa 100 Mal schneller als mit herkömmlichen Ionengittern möglich sind.
Quantencomputer: Ionenfalle mit Strontium-Ionen in der Mitte (blauer Fleck). Mit Rydberg-Ionen lassen sich Quanten-Computeroperation durchführen, die etwa 100 Mal schneller als mit herkömmlichen Ionengittern möglich sind.
(Bild: Markus Hennrich / Uni Stockholm)

Quantencomputer rechnen mit Quantenbits, kurz Qubits, die miteinander verschränkt sind. Dieser Zustand der Kohärenz ist jedoch sehr empfindlich und mit jedem zusätzlichen Qubit schwerer zu erreichen und zu erhalten. Deswegen lassen sich Quantencomputer nicht einfach skalieren. Das ist allerdings notwendig, da ein Quantencomputer erst mit 50 Qubits schneller rechnet als ein Supercomputer.

Quantencomputer basieren meist auf Ionenkristallen bzw. Ionengittern, bei denen die Quanteninformation über die Gitterschwingungen ausgetauscht wird. Je größer das Ionengitter ist, desto langsamer werden Informationen übertragen, da sich die Gitterschwingungen überlagern (sich also gegenseitig stören). Komplexe Rechenoperationen können daher nicht schnell genug durchgeführt werden, bevor die gespeicherte Quanteninformation zerfällt. Zudem steigt die Fehlerrate.

Was sind Rydberg-Ionen?Rydberg-Ionen sind wesentlich größer als normale Ionen. Das äußerste Elektron befindet sich weit entfernt vom Atomkern und ist fast nicht mehr vom Atomkern eingefangen (getrapped). Die daraus resultierenden physikalischen Eigenschaften machen getrappte Rydberg-Ionen zu einem vielversprechenden System für die Quanten-Informationsverarbeitung. Aufgrund ihrer Größe sind sie zum Beispiel in der Lage, andere Rydberg-Ionen über Entfernungen von mehreren Mikrometern zu erfassen, was schnelle Quantenoperationen ermöglicht. Ionen werden durch statische und oszillierende elektrische Felder eingefangen. Die Coulomb-Abstoßung der geladenen Teilchen führt zu einer linearen Kette von Ionen, die 5 µm voneinander entfernt sind. Diese Trennung erlaubt es, jedes Ion einzeln mit Laserstrahlen anzusprechen. Rydberg-Ionen werden erzeugt, indem ein normales getrapptes Ion in den mittels zweier UV-Laser Rydberg-Zustand angeregt wird.

Rydberg-Ionen: 100 Millionen Mal größer

Forschern der Universität Stockholm ist es nun gelungen, diese Probleme durch den Einsatz von sogenannten Rydberg-Ionen zu lösen. Die im Vergleich zu herkömmlichen Ionen 100 Millionen Mal größeren Rydberg-Ionen wechselwirken außerordentlich stark miteinander. Deswegen lässt sich die in den Ionen abgespeicherte Quanteninformation mithilfe von Photonen übertragen.

Dieser Ansatz, der in der Zeitschrift Nature publiziert wurde, unterscheidet sich deutlich von den bislang existierenden Quantenrechnern auf Basis von Ionengittern. Die Nutzung von Riesen-Ionen ermöglicht den schnellen Ablauf von Quantenrechnungen selbst in großen Systemen. „Rydberg-Ionen bilden gewissermaßen kleine Antennen mit denen wir besonders schnelle Quantengatter realisieren können, die die „Grundbausteine“ eines Quantencomputers darstellen“, erklärt Professor Markus Hennrich von der Universität Stockholm.

Da die Wechselwirkung zwischen Rydberg-Ionen nicht auf Gitterschwingungen, sondern auf dem Austausch von Photonen basiert, erwarten die Forscher, dass ein Quantenrechner auf Basis von Rydberg-Ionen auch bei einer großen, dreidimensionalen Ionenstruktur funktioniert, die für die Schaffung eines leistungsstarken und breit einsetzbaren Quantencomputers notwendig wäre. Professor Lesanovsky von der Universität Tübingen begleitete das Experiment gemeinsam mit Dr. Weibin Li von der Universität Nottingham durch theoretische Berechnungen und die Untersuchung möglicher Fehlerquellen.

Kontakt mit der Umwelt zerstört die Quantenzustände

Eine wesentliche Größe für jeden Quantencomputer ist die so genannte Kohärenzzeit. Der Begriff bezeichnet den Zeitraum, über welchen sich die Quanteninformation stabil speichern und verarbeiten lässt. „Auch bei der derzeit besten Abschirmung ist diese Kohärenzzeit immer begrenzt, da Quantenzustände bereits beim kleinsten Kontakt mit der Umwelt zerstört werden“, erklärt Lesanovsky.

Die Wissenschaftler erwarten, dass mit dem von ihnen gewählten experimentellen Ansatz bis zu 100 Millionen Rechenoperationen pro Kohärenzzeit durchgeführt werden können. Quantenprozessoren basierend auf Festkörpern oder supraleitenden Schaltkreisen erlauben im Moment etwa 1000 Rechenoperationen pro Kohärenzzeit. „Ein Quantenrechner auf der Basis von Rydberg-Ionen hat damit vor allem das Potenzial, deutlich zuverlässiger zu arbeiten als andere Systeme auf Quantenbasis“, so Lesanovsky weiter.

Quantencomputer gelten als eine der Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts. Während herkömmliche Computer nach den Gesetzen der klassischen Physik funktionieren, arbeiten Quantencomputer nach den Regeln der Quantenmechanik. Die Fähigkeit von miteinander verschränkten Quanten Informationen ohne zeitliche Verzögerung auszutauschen, macht sie sehr schnell und leistungsfähig. Quantencomputer könnten in der Zukunft überall dort zum Einsatz kommen, wo gewaltige Datenmengen verarbeitet werden müssen, so zum Beispiel bei Anwendungen in der Personalisierten Medizin oder bei Künstlicher Intelligenz.

Die Bundesregierung hat Ende Januar 2020 eine strategische Initiative zum Quantencomputing gestartet und dafür 300 Millionen Euro bereitgestellt. Konzerne wie IBM oder Google haben in der Vergangenheit bereits experimentelle Quantencomputer vorgestellt. Fachleute gehen aber davon aus, dass bis zur Schaffung eines alltagstauglichen Quantencomputers noch mindestens zehn Jahre Forschung und Entwicklung notwendig sind.

Mit Material der Universitäten Tübingen und Stockholm.

Originalpublikation: Chi Zhang, Fabian Pokorny, Weibin Li, Gerard Higgins, Andreas Pöschl, Igor Lesanovsky, Markus Hennrich: Sub-microsecond entangling gate between trapped ions via Rydberg interaction. Nature 2020; DOI 10.1038/s41586-020-2152-9

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