Fortschritte beim Quantencomputing

  • 13. October 2011

Kohärente Kopplung zwischen supraleitenden und atomaren Qubits. Höhere Effizienz durch kohärente Photonenumwandlung.

Weit ist der Weg zum Quantencomputer, doch das Ziel rückt unaufhaltsam näher. Jetzt melden Forschergruppen in Japan und in Österreich zwei wichtige Fortschritte. Zum einen wurden supraleitende Qubits mit Elektronspins kohärent gekoppelt, die an Stickstofffehlstellen in Diamanten auftraten. Zum anderen eröffnet die kohärente Umwandlung von Photonen die Möglichkeit, das Quantencomputing effizienter zu machen.

Das supraleitende Fluss-Qubit wird durch seinen magnetischen Fluss mit zahlreichen Fehlstellen (grüne Punkte) im Diamant kohärent gekoppelt

Abb.: Das supraleitende Fluss-Qubit wird durch seinen magnetischen Fluss mit zahlreichen Fehlstellen (grüne Punkte) im Diamant kohärent gekoppelt. (Bild: Zhu et al., Nature)

Xiaobo Zhu von der NTT Corporation in Japan und seine Kollegen haben gezeigt, dass es möglich ist, das relativ kurzlebige Qubit eines supraleitenden Schaltkreises kohärent auf die länger lebenden Spinzustände von Stickstofffehlstellen in einem Diamanten zu übertragen – und wieder zum Ausgangsort zurückzubringen. Das Herzstück des Schaltkreises war eine Schlaufe aus supraleitendem Aluminium – das Experiment fand bei 12 Millikelvin statt –, die an zwei Stellen durch Josephson-Kontakte unterbrochen war.

Mit einem 500 ns langen Mikrowellenpuls ließ sich in der supraleitenden Schlaufe ein elektrischer Strom in gewünschter Richtung hervorrufen. Floss der Strom im Uhrzeigersinn, so entsprach das dem Quantenzustand 0, floss er in die Gegenrichtung, so war das der Zustand 1. Durch einen geeigneten Puls ließ sich dieses supraleitende Qubit auch in einen quantenmechanischen Überlagerungszustand aus 0 und 1 bringen. Da der Strom einen magnetischen Fluss durch das Schlaufeninnere verursachte, handelte es sich um ein Fluss-Qubit.

Außer dem Fluss-Qubit enthielt der Schaltkreis noch zwei weitere supraleitende Schlaufen, die jeweils durch Josephson-Kontakte unterbrochen waren. Mit der einen Schlaufe konnten die Forscher den Energieunterschied zwischen den Quantenzuständen 0 und 1 des Fluss-Qubits regulieren. Die andere Schlaufe war ein Squid, mit dem sie den Zustand des Qubits messen konnten.

Auf dem Schaltkreis war ein künstlicher Diamantkristall befestigt, in den die Forscher zahllose Stickstofffehlstellen eingebaut hatten. An solch einer Fehlstelle bleibt ein Platz im Diamantgitter frei und ein benachbartes Kohlenstoffatom wird durch ein Stickstoffatom ersetzt. Dieses hat zwei überzählige Elektronen, deren Spins in dieselbe Richtung zeigen und somit ein Triplett (S=1) bilden. Auch ohne ein äußeres Magnetfeld unterscheiden sich die Energien der drei Zustände. Zwischen dem Grundzustand |mS>=0 und den nahezu entarteten angeregten Zuständen |mS>=±1 liegen 2,88 GHz.

Als die Forscher die Energiedifferenz der beiden Qubitzustände 0 und 1 auf diese 2,88 GHz abstimmten und somit das Fluss-Qubit mit den Fehlstellen in Resonanz brachten, beobachteten sie Rabi-Oszillationen. Wurde das Fluss-Qubit angeregt (Zustand 1), so wanderte die Anregung auf die Fehlstellen und brachte sie vom Grundzustand in die beiden angeregten Zustände. Dann kehrte die Anregung auf das Qubit zurück und das Spiel begann von neuem. Solch eine Oszillation dauerte etwa 15 ns.

Die Kopplung zwischen dem Fluss-Qubit und den Fehlstellen erfolgte über den magnetischen Fluss, der durch die Supraleiterschlaufe trat und den Diamanten durchdrang. Aus der bekannten Fehlstellendichte und der gemessenen Rabi-Frequenz errechneten die Forscher, dass etwa 31 Millionen Fehlstellen die Anregung des Qubits aufnehmen und sie ihm wieder zurückgaben. Allerdings klangen die Oszillationen schon nach etwa 60 ns ab, was viel kürzer ist als die Relaxationszeiten für das Fluss-Qubit (150 ns) und für die Fehlstellen (10 µs). Wodurch diese Dekohärenz verursacht wird, ist noch unklar. Doch immerhin haben die Forscher den ersten Schritt zu einer Datenübertragung zwischen Fluss-Qubits und Festkörper-Qubit-Speichern gemacht.

Ein Verfahren zur kohärenten und zugleich deterministischen Umwandlung von photonischen Zuständen präsentieren Nathan Langford von der Universität Wien und seine Kollegen. So zeigen sie, dass es durch Vierwellenmischung möglich sein sollte, Rabi-ähnliche Oszillationen zwischen dem Ein- und dem Zweiphotonenzustand |1,0,0> bzw. |0,1,1> hervorzurufen. Dadurch ließe sich eine Vielzahl unterschiedlicher photonischer Zustände herstellen, die man beim Quantencomputing benötigt.

Da bei den Rabi-ähnlichen Oszillationen geometrische Berry-Phasen auftreten, kann man erreichen, dass nur die Zweiphotonenzustände ein negatives Vorzeichen bekommen: Aus |0,1,1> wird nach einer Oszillation -|0,1,1>, während |0,0,1> und |0,1,0> erhalten bleiben. Dadurch lassen sich verschränkte Zustände nach Wunsch herstellen.

Eine halbe Oszillation macht aus |1,0,0> den Zustand |0,1,1>, verdoppelt also die Zahl der Photonen. Setzt man mehrere Verdopplungsstufen hintereinander, so kann man aus einem Photon einige beliebige Zahl von Photonen erzeugen. Die zusätzlichen Photonen kann man etwa dazu benutzen, das Eintreffen eines verschränkten Zustand „anzukündigen“.

Umgekehrt ist es möglich, aus einer Überlagerung von Zuständen mit unterschiedlicher Photonenzahl einen Einphotonenzustand herauszudestillieren. Dazu wartet man genau eine Oszillationperiode des Zustandes |1,0,0> ab. Nach dieser Zeit ist aus dem Mehrphotonenzustand in der ersten Mode |n,0,0> ein Zustand geworden, in dem auch die zweite und dritte Mode besetzt sind. Filtert man aus diesen beiden Moden die Photonen heraus und wiederholt den Vorgang nach jeder Oszillation, so bleibt am Ende nur der Einphotonenzustand übrig.

Rainer Scharf

OD

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