Forschung

Optische Verdrahtung für große Quantencomputer

22.10.2020 - Neue Methode zur Ausführung empfindlicher Quantenoperationen mit Atomen demonstriert.

Es ist nicht einfach, mit einem Laser­pointer während einer Präsen­tation einen bestimmten Punkt auf einer Leinwand zu treffen – schon das kleinste nervöse Zittern in der Hand wird auf dem weit entfernten Schirm zu einer riesigen Krakelei. Nun stelle man sich vor, man müsste das mit mehreren Laser­pointern gleich­zeitig tun. Genau dieses Problem haben Physiker, die mit Hilfe von einzelnen gefangenen Atomen Quanten­computer bauen wollen. Auch sie müssen mit Laser­strahlen – hunderten oder gar tausenden in derselben Apparatur – über 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 stört den Betrieb des Quanten­computers empfindlich. An der ETH Zürich haben jetzt Jonathan Home und seine Mitarbeiter eine neue Methode demon­striert, mit der mehrere Laser­strahlen in einem Chip präzise zu den richtigen Stellen geleitet werden können, und das auf so stabile Weise, dass sich sogar empfind­lichste Quanten­opera­tionen mit den Atomen aus­führen lassen.

In elektrischen Feldern gefangene Ionen haben sich dabei als ideale Kandidaten für 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 für praktisch relevante Anwendungen brauchen wird, so bestehen bei heutigen Systeme einige große Hürden“, sagt Team-Mitglied Karan Mehta. Konkret geht es darum, wie man Laser­strahlen über mehrere Meter vom Laser in eine Vakuum­apparatur und schließlich punkt­genau in einen Kryostaten leitet, in dem die Ionen­fallen auf wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt werden, um thermische Störungen zu minimieren.

„Die herkömmliche Optik ist schon in den heutigen Systemen im kleinen Maßstab eine bedeutende Rausch-​ und Fehler­quelle – und es wird immer schwieriger, das im Zaum zu halten, je größer die Computer werden“, erklärt Mehta. Je mehr Qubits man hinzufügt, desto komplexer wird auch die Optik für die Laser­strahlen, die zur Steuerung der Qubits nötig sind. „Dort setzt unser Konzept an“, ergänzt sein Kollege Chi Zhang. „Indem wir winzige Wellen­leiter in die Chips integrieren, auf denen sich die Elektroden zum Einfangen der Ionen befinden, können wir das Licht direkt zu den Ionen leiten. Vibrationen des Kryostaten oder anderer Bauteile verursachen daher wesentlich weniger Störungen.“

Die Forscher ließen in einem kommer­ziellen Halb­leiter­werk Chips herstellen, die sowohl Gold-​Elektroden für die Ionen­fallen als auch, in einer tieferen Schicht, Wellen­leiter für Laser­licht enthalten. An einem Ende der Chips speisen Glas­fasern das Licht in die nur hundert Nanometer großen Wellen­leiter ein, wodurch die Chips effektiv in ihrem Innern optisch verdrahtet werden. Jeder Wellen­leiter führt zu einem bestimmten Punkt auf dem Chip, wo das Licht schließlich zu den gefangenen Ionen an der Ober­fläche umgelenkt wird. In einer vor wenigen Jahren veröffent­lichten Arbeit konnte bereits gezeigt werden, dass dieser Ansatz grund­sätz­lich funktioniert. Nun hat die ETH-​Gruppe die Technik weiter­entwickelt und so weit verfeinert, dass man mit ihr auch fehlerarme Quanten-​Logik­gatter zwischen verschiedenen Atomen ausführen kann, eine wichtige Voraus­setzung für den Bau von Quanten­computern.

In einem herkömmlichen Computer­chip werden mit Logik­gattern logische Operationen wie beispiels­weise AND oder NOT ausge­führt. Will man einen Quanten­computer bauen, so muss dieser in der Lage sein, solche logischen Operationen an den Qubits auszu­führen. Das Problem dabei: Quanten-​Logik­gatter, die auf zwei oder mehr Qubits wirken, sind ganz besonders empfindlich gegen­über Störungen. Denn sie erschaffen fragile Verschränkungs­zustände bekannt. Bei einer solchen Über­lagerung 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 Über­lagerungs­zustände funktioniert – wie gut also die Logik­gatter sind –, drückt man anhand der Wieder­gabe­treue aus. Mit dem neuen Chip konnte das Team Logik­gatter mit zwei Qubits ausführen und mit ihnen Verschränkungs­zustände mit einer Wieder­gabe­treue herstellen, wie sie bisher nur in den aller­besten konven­tio­nellen Experi­menten erreicht wurde. Damit haben die Forscher gezeigt, dass ihr neuer Ansatz für künftige Ionen­fallen-​Quanten­rechner interessant sein wird, da er nicht nur äußerst 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 für schnelle und präzise Quanten­operationen, die durch die optische Verdrahtung möglich werden.

ETH Zürich / RK

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