Vierzehn verschränkte Photonen beseitigen einen Engpass im Quantencomputing | Forschung & Technologie | August 2022

GARCHING BEI MÜNCHEN, 26. August 2022 — Physiker des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik haben eine Methode entwickelt, die den Bau leistungsfähiger und robuster Quantencomputer sowie die sichere Übertragung von Daten ermöglichen könnte. Physiker erzeugten in einem optischen Resonator bis zu 14 verschränkte Photonen, die gezielt und effizient in bestimmte quantenphysikalische Zustände gebracht werden konnten.

Um einen Quantencomputer gewinnbringend einzusetzen, müssen viele verschränkte Teilchen zusammenarbeiten, wie Qubits im Quantensystem. Bisher fand die Photonenverschränkung meist in speziellen nichtlinearen Kristallen statt. Der Nachteil dieser Methode ist, dass die Photonen im Wesentlichen zufällig und nicht kontrollierbar erzeugt werden. Es begrenzt auch die Anzahl der Partikel, die in einem kollektiven Zustand gruppiert werden können.

Mit der neu entwickelten Methode ließen sich praktisch beliebig viele verschränkte Photonen erzeugen, so die Forscher.

Laut Philip Thomas, Doktorand am Max-Planck-Institut für Quantenoptik, stellen die 14 miteinander verbundenen Lichtteilchen nach Kenntnis der Wissenschaftler die größte Anzahl verschränkter Photonen dar, die im Labor erzeugt werden.

Photonen eignen sich gut zur Verschränkung weil sie von Natur aus robust und einfach zu handhaben sind, sagte er.

Das Forscherteam verwendete ein einzelnes Atom, um die Photonen auszusenden und sie auf bestimmte Weise zu verflechten. Dazu platzierten die Forscher ein Rubidium-Atom im Zentrum eines optischen Hohlraums.

Mit Laserlicht einer bestimmten Frequenz ließe sich der Zustand des Atoms präzise verarbeiten. Mit einem zusätzlichen Steuerpuls lösten die Forscher zudem gezielt die Emission eines mit dem Quantenzustand des Atoms verschränkten Photons aus.


Installation eines optischen Resonators im Vakuum. Zwischen den konisch geformten Spiegeln im Inneren des Halters ist ein einzelnes Rubidiumatom gefangen. Mit freundlicher Genehmigung von MPQ.


„Wir haben diesen Vorgang mehrmals und in einer zuvor festgelegten Weise wiederholt“, sagte Thomas. Inzwischen ist das Atom gedreht worden. Auf diese Weise konnte eine Kette von bis zu 14 Photonen erzeugt werden, die durch die atomaren Rotationen miteinander verschränkt und in einen gewünschten Zustand gebracht wurden.

Nicht nur die Menge der verschränkten Photonen markierte einen großen Schritt in Richtung der Entwicklung leistungsfähiger Quantencomputer, sondern auch die Art und Weise ihrer Erzeugung, die sich von herkömmlichen Methoden stark unterschied. „Da die Photonenkette aus einem einzigen Atom hervorging, konnte sie deterministisch erzeugt werden“, sagte Thomas. Das bedeutet, dass im Prinzip jeder Antriebspuls tatsächlich ein Photon mit den gewünschten Eigenschaften lieferte.

Versuchsaufbau mit Vakuumkammer auf optischem Tisch.  Mit freundlicher Genehmigung von MPQ.


Versuchsaufbau mit Vakuumkammer auf optischem Tisch. Mit freundlicher Genehmigung von MPQ.


Darüber hinaus ist die Methode effizient – ​​ein weiterer wichtiger Maßstab für potenzielle zukünftige technische Anwendungen. „Durch die Messung der erzeugten Photonenkette konnten wir eine Effizienz von fast 50 % nachweisen“, sagte Thomas. Das bedeutet, dass fast jeder zweite „Knopfdruck“ auf dem Rubidium-Atom ein nutzbares Lichtteilchen erzeugte – weit mehr als in früheren Experimenten erreicht wurde.

„Insgesamt beseitigen wir mit unserer Arbeit ein seit langem bestehendes Hindernis auf dem Weg zu skalierbarem, messbasiertem Quantencomputing“, sagte Gerhard Rempe, Direktor des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik.

Installation eines optischen Resonators im Vakuum.  Zwischen den konisch geformten Spiegeln im Inneren des Halters ist ein einzelnes Rubidiumatom gefangen.  Mit freundlicher Genehmigung von MPQ.


Installation eines optischen Resonators im Vakuum. Zwischen den konisch geformten Spiegeln im Inneren des Halters ist ein einzelnes Rubidiumatom gefangen. Mit freundlicher Genehmigung von MPQ.


Wissenschaftler wollen ein weiteres Hindernis beseitigen. Komplexe Rechenoperationen würden beispielsweise mindestens zwei Atome als Photonenquellen im Resonator erfordern. Quantenphysiker sprechen von einem zweidimensionalen Clusterzustand. „Wir arbeiten bereits an dieser Aufgabe“, sagte Thomas.

Er sagte, die möglichen technischen Anwendungen gingen über Quantencomputing hinaus. „Ein weiteres Anwendungsbeispiel ist die Quantenkommunikation“, sagte er.

Mit der Methode ließe sich beispielsweise Quanteninformation in verschränkte Photonen packen, die auch einen gewissen Lichtverlust überstehen und eine sichere Kommunikation über größere Distanzen ermöglichen.

Die Forschung wurde in veröffentlicht Natur (www.doi.org/10.1038/s41586-022-04987-5).

Körbl Schreiber

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