Quantentechnologie aus der Schweiz Neue Technik für große Quantencomputer

Redakteur: Julia Bender

Ein Forschungsteam der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich hat eine neue Technik vorgestellt, mit deren Hilfe empfindliche Quantenoperationen mit Atomen durchgeführt werden können.

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Durch den Ionenfallen-Chip mit integrierten Wellenleitern sollen zukünftig für Störungen anfällige Quantenoperationen ermöglicht werden.
Durch den Ionenfallen-Chip mit integrierten Wellenleitern sollen zukünftig für Störungen anfällige Quantenoperationen ermöglicht werden.
(Bild: Eidgenössische Technische Hochschule Zürich)

Am Institut für Quantenelektronik der ETH Zürich ist es Jonathan Home und seinem Team gelungen, eine Methode zu entwickeln, mit der mehrere Laserstrahlen in einem Chip zielgenau an die richtigen Stellen geleitet werden können. Durch die Stabilität dieser Methode werden sogar empfindlichste Quantenoperationen möglich.

Es ist zwar bereits gelungen, Minicomputer mit etwa einem Dutzend Qubits umzusetzen, jedoch beständen große Hürden bei den heutigen Systemen, wenn es um den Bau von Quantencomputern mit mehreren Tausend Qubits geht, erläutert der Postdoc in Homes Labor Karan Mehta. In der von ihm sowie weiteren Forschenden veröffentlichten Studie konnte gezeigt werden, wie Laserstrahlen über mehrere Meter hinweg in eine Vakuumapparatur und anschließend punktgenau in einen Kryostaten leitet, der die Ionenfallen auf wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt abkühlt, um thermische Störungen zu reduzieren.

Optik bereitet Probleme

Der optische Aufbau eines Quantencomputers stellt momentan noch ein Hindernis dar. Je mehr Qubits hinzugefügt werden, desto komplexer wird die Optik für die Laserstrahlen, die zur Steuerung der Qubits nötig sind. Das Team rund um Homes setzt deshalb winzige Wellenleiter in Chips ein, wodurch das Licht direkt zu den Ionen geleitet wird und somit Vibrationen des Kryostaten oder anderer Bauteile zu weniger Störungen führen. Jeder Wellenleiter endet an einem bestimmten Punkt auf dem Chip, wo das Licht letztendlich zu den gefangenen Ionen an der Oberfläche umgelenkt wird.

Dass dieser Ansatz funktioniert, konnte bereits mit einer vor wenigen Jahren publizierten Studie bewiesen werden. Das ETH-Team hat die Technik dahingehend verfeinert, dass man nun mit ihr auch fehlerarme Quanten-Logikgatter zwischen verschiedenen Atomen ausführen kann, was wiederum eine der Voraussetzungen für den Bau von Quantencomputern ist. „Mit dem neuen Chip konnten wir Logikgatter mit zwei Qubits ausführen und mit ihnen Verschränkungszustände mit einer Wiedergabetreue herstellen, wie sie bisher nur in den allerbesten konventionellen Experimenten erreicht wurde“, freut sich der am Experiment beteiligte Doktorand Maciej Malinowski.

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