Forschung

Quantencomputer mit Rydberg-Ionen

17.04.2020 - Stark wechselwirkende Ionen können Quanteninformation effizient über Photonen austauschen.

Ein internationales Forschungsteam hat einen neuen, vielversprechenden Weg zu einem zuverlässigen und praktisch nutzbaren Quantencomputer aufgezeigt. Die Wissenschaftler nutzten bei ihrem Experiment Rydberg-Ionen des Elements Strontium, die durch Laserpulse in hochangeregte elektronische Zustände versetzt wurden. Diese übergroßen Ionen wechselwirken außerordentlich stark und erlauben den Austausch der in den Ionen abgespeicherten Quanteninformation mithilfe von Photonen.

Dieser Ansatz unterscheidet sich deutlich von den bislang existierenden Quantenrechnern auf Ionenbasis. Diese bestehen aus Ionen, die einen Kristall bilden, und der Austausch von Quanteninformation erfolgt in der Regel über Kristallschwingungen. Gerade in großen Ionenkristallen mit sehr komplizierten Schwingungs­mustern ist diese Methode allerdings sehr langsam. Komplexe Rechenoperationen können daher nicht schnell genug durchgeführt werden, so dass die gespeicherte Quanteninformation zerfällt. Die Nutzung von übergroßen Ionen umgeht dieses Problem, und ermöglicht den schnellen Ablauf von Quantenrechnungen selbst in großen Systemen. 

„Quantencomputer auf Ionenbasis gelten unter Fachleuten seit langem als vielversprechend, da sie im Prinzip mit Fehlerraten von weniger als 0,1 Prozent rechnen können“, sagte Igor Lesanovsky vom Institut für theoretische Physik der Universität Tübingen. Ionen lassen sich mithilfe elektrischer Felder einfangen und kontrollieren sowie sehr gut von der Umgebung abschirmen. Allerdings traten in der Vergangenheit Probleme bei der Skalierung eines solchen Rechners auf. Wurde die Zahl der eingesetzten Ionen schrittweise erhöht, um den Quantenrechner größer und leistungsfähiger zu machen, mussten Wissenschaftler feststellen, dass die Rechen­operationen anschließend langsamer abliefen und die Fehlerrate stieg. „Um Quanteninformationen zu übertragen, müssen die Ionen in Schwingungen versetzt werden“, erklärte Lesanovsky: „Erhöht man die Zahl der eingesetzten Ionen, führt das aber dazu, dass die Schwingungsmuster zunehmend komplizierter werden und immer schwieriger zu kontrollieren sind.“ Die Ionen stören sich gewissermaßen gegenseitig beim Rechnen. 

Einem Forscherteam der Universität Stockholm gelang es nun, die beschriebenen Probleme durch den Einsatz von Rydberg-Ionen zu lösen. Lesanovsky begleitete das aktuelle Experiment gemeinsam mit Weibin Li von der Universität Nottingham durch theoretische Berechnungen und die Untersuchung möglicher Fehlerquellen. 

„Rydberg-Ionen bilden gewissermaßen kleine Antennen und erlauben dadurch, besonders schnelle Quantengatter zu realisieren, die die Grundbausteine eines Quantencomputers darstellen“, erklärt Markus Hennrich von der Universität Stockholm. Da die Wechselwirkung zwischen Rydberg-Ionen nicht auf Kristallschwingungen, 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. 

Eine wesentliche Größe für jeden Quantencomputer ist die Kohärenzzeit. Der Begriff bezeichnet den Zeitraum, über welchen sich 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“, erklärte 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.“

U. Tübingen / DE

 

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