Auf der Suche nach den idealen Quanten-Bits Was ist eine Ionenfalle?

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Für die Entwicklung eines praxistauglichen Quantenrechners sind mehrere quantenphysikalisch-technische Konstrukte im Wettstreit, die man als Basis für die Quantenrechner-Hardware nutzen kann. Atomare System wie „gefangene Ionen“ werden dabei als besonders aussichtsreich eingeschätzt.

Quantenrechner sind nicht nur eine wissenschaftlich-technische Herausforderung, sondern auch eine wirtschaftlich-unternehmerische. Diese Konstellation lässt viel Raum für „starke“ Aussagen: So hat das US-amerikanische Quantenrechner-Start-up IonQ aus dem wissenschaftlichen Dunstkreis der Quantenrechner-Hochburg University of Maryland Anfang Oktober 2020 in einer Presserklärung verkündet, dass man einen Quantenrechner-Prototypen auf Ionenfallen-Basis entwickelt habe, der „32 perfekte Qubits mit geringen Gatter-Fehlern" biete und für den man ein Quantenvolumen von 4.000.000 (in Worten: 4 Millionen!) erwarte.

Bislang gibt es von IBM und Honeywell Quantencomputer, für die ein Volumen von 64 reklamiert wird. Der jetzt von IonQ postulierte Benchmark-Wert scheint nun ein „Quantensprung“ eigener Art zu sein, der beim ersten Lesen erst einmal an Hochstapelei erinnert.

Freilich sind die University of Maryland und deren ideeller (und personeller) Forschungs-Spin-off IonQ in Sachen Quantenrechner-Hardware nicht irgendwer, so dass man nach dem ersten Lesen und Darüber-Nachdenken vermutet, dass die benutzte Metrik an sich höchstproblematisch ist. IonQ selbst hat denn auch verlauten lassen, dass man die Metrik nicht gerade für ideal halte, aber wenn IBM die nun mal in die Welt gesetzt habe, dann nutze man sie halt.

Ionenfalle aus Ytterbium-Atomen

Aber zurück zum eigentlichen Thema, den „gefangenen Ionen“ und der Bedeutung solcher atomaren Systeme für die Quanten-Computerei. Gefangene Ionen oder Ionenfallen sind nur eine Methode, mit der die Basis-Hardware eines Quantenrechners, sprich: die „Quanten-Bits“ (Qubit) realisiert werden können. Andere quantenphysikalische Zustandssysteme, die in den Laboren weltweit erprobt werden, sind supraleitende Bauelemente, einzelne Photonen oder auch (Stickstoff-) Atome als Fehlstellen (Verunreinigungen) in Kristallen, zum Beispiel Diamanten.

„Ein einzelnes Atom ist ein ideales Quantensystem, dessen Energieniveaus als Qubit-Zustände dienen können. Entfernt man ein Elektron durch Laseranregung, bleibt ein positiv geladenes Ion zurück. Die Ladung ermöglicht das Einfangen dieser Teilchen mit elektrischen Feldern“, beschreiben die beiden Physik-Professoren Markus Müller (RTWH Aachen und Forschungszentrum Jülich) und Norbert Linke (University of Maryland) in einem gemeinsamen Grundlagen-Artikel in „Physik unserer Zeit“ (1) die Ionenfalle.

Die Autoren skizzieren in ihrem Artikel eine Ionenfalle als eine Anordnung aus vier Elektroden, wobei auf zwei gegenüber liegenden Elektroden eine Wechselspannung liegt, die einen elektrischen Quadrupol erzeugt. Die Polung ändert sich nach Darstellung der Autoren mit etwa 25 MHz und bewirkt einen dynamischen Einschluss in radialer Richtung.

Durch Laserlicht-Kühlung werde den Ionen kontinuierlich Bewegungsenergie entzogen. Und bei Energien um den absoluten Nullpunkt ordneten sich die Ionen in einer Kette entlang der schwächeren axialen Fallenkraft an. Die Falle befindet sich in einer Hochvakuum-Kammer, um Stöße zwischen den Ionen und Gasmolekülen zu minimieren.

In dem Versuchsaufbau werden Ionen des Elements Ytterbium benutzt. Aufgrund des Kernspins werde der Grundzustand dieses Atoms in zwei Unterniveaus gespalten, die als Qubit-Zustände genutzt würden. Diese Aufspaltung – so die Autoren weiter – sei nahezu unabhängig vom Magnetfeld, wodurch der Zustand sehr robust gegenüber Fluktuationen des Umgebungsfelds sei. Als Ergebnis dieser Konstellation erhalte man Zustandspaare mit hoher Stabilität und Robustheit, sprich geringen Fehlerraten. Die hohen Fehlerraten der Qubits und Qubit-Gatter sind bekanntlich die Crux bei der Konstruktion praxistauglicher Quantencomputer.

Gatter und Algorithmen im Quantenrechner

Um mit einem Quantencomputer rechnen zu können, müssen die quantenphysikalischen Zustände gezielt verändert werden beziehungsweise zunächst einmal ein stabiler Anfangszustand erreicht werden. Darüber hinaus muss man berechnete Werte auslesen können. All das zu gewährleisten ist keine triviale Aufgabe.

Der große „Anreger“ beziehungsweise „Manipulator“ auf diesem Feld ist der Laser. Gezielt eingesetztes Laserlicht hebt die „Rechen-Ionen“ beispielsweise kurzzeitig auf ein höheres Energieniveau oder regt Zerfallsprozesse an, dass die Ionen daraufhin in einem anderen Zustand landen. Ionen auf einem höheren Niveau (Bitzustand “1“) senden bei einem Zerfallsprozess Licht aus, das durch einen Photonen-Detektor aufgefangen und sichtbar gemacht werden kann. Dauer und Phase der Anregung bestimmen die Parameter eines Ein-Qubit-Gatters.

Auch im Quantencomputer wird ebenso wie in einem klassischen Rechner eine Gatterarchitektur aufgebaut. Noch einmal Norbert Linke und Markus Müller im Originalton: „Ein Quantengatter ist mathematisch gesehen eine unitäre Transformation U, die auf einem Zustand Psi der Qubits angewendet wird und den Zustand U-Psi erzeugt […. Dabei lässt sich jede […auf dem Quantencomputer mögliche Qubit-Manipulation als Produkt zweier Gatter darstellen. Aus den Basisoperationen kann man komplexere Logikgatter und schließlich ganze Algorithmen zusammenstellen („kompilieren“).“

Fehlerrate der Qubits reduzieren

Leider treten bei der oben skizzierten Zustandspräparierung des genutzten quantenphysikalischen Systems (Anfangszustand, gezielte Energieniveau-Änderung, Auslesen etc.) Fehler auf. Wenn nicht effiziente Gegenmaßnahmen gegen solche Rauschprozesse getroffen werden, können Rechnungen mit einem Quantensystem leicht völlig nutzlos werden, einfach weil sie unkenntlich beziehungsweise nicht interpretierbar sind. Den Quantencomputer-Spezialisten gelingt es aber immer besser, das Quantenrauschen zu minimieren. Die am Anfang erwähnten „32 perfekten(!) Qubits“ der Firma IonQ sind dafür Beweis.

Die Professoren Linke und Müller zitieren aus der Literatur (2), dass die besten derzeit verfügbaren Gatter mit gefangenen Ionen eine Fehlerrate von 0,1 Prozent aufwiesen, und sie stellen klar, dass eine solche Fehlerrate bei längeren Ionenketten nur dann erreichbar sein wird, wenn stabilere Laserstrahl-Applikationen und präzise Fallen-Felder entwickelt werden. Hilfreich in diesem Problemkreis seien allerdings auch Ansätze, das Problem sozusagen von der anderen Seite anzugehen. So arbeite man in der Quantencomputer-Community daran, „kompakte Algorithmen zu entwickeln, auf deren Basis die Lösung bestimmter Simulationsprobleme auch mit kürzeren Qubit-Gatter-Sequenzen möglich würden.

Ansätze für die Erhöhung der Qubit-Anzahl

Trotz solcher Ansätze ist klar: die Zahl der Qubits, sprich: die Zahl der gefangenen Ionen, muss noch weiter erhöht werden, wenn man interessante Aufgaben mit dem Quantensystem bearbeiten will. Und dafür müssen mehrere Probleme gelöst werden. Um lange Ketten von gefangenen Ionen stabil zu halten, ist es beispielsweise unabdingbar, Kollisionen der Ionen mit Restgas-Atomen durch Kühlmaßnahmen zu unterdrücken oder wenigstens deutlich zu minimieren.

Oder man baut Fallen, nicht zuletzt in Mikrochip-Form, die so gestaltet sind, dass Rechnungen aufgeteilt werden können, indem beim Aufbau der Ionen diese in Untergruppen unterteilt werden.

Eine weitere Möglichkeit ist die Verbindung mehrerer Fallen durch einen Photonenaustausch. „Dazu müssen zwei Ionen in getrennten Fallen Photonen aussenden, deren Polarisation mit dem Ionenzustand eine Verschränkung bildet. Wenn diese Photonen mit einem Strahlteiler wechselwirken, so dass ihre Herkunft nicht mehr nachvollzogen werden kann, entsteht ein verschränktes Ionenpaar über die Entfernung zwischen den Fallen hinweg“, schreiben Linke und Müller.

Auf der Suche nach den idealen Qubits

Die Minimierung des Quantenrauschens ist und bleibt auch im Vergleich mit vielen anderen Herausforderungen für die Entwicklung eines leistungsfähigen und praxistauglichen Quantenrechners die „Hauptnuss“, die zu knacken ist.

Linke und Müller berichten in ihrem Artikel von Forschungskollaborationen, an denen auch sie beteiligt sind und deren Ziel es ist, so genannte logische Qubits zu entwickeln.

Dabei werden mehrere physische Qubits zu einem derartigen logischen Qubit verschränkt. Durch diese quantenmechanische Korrelation würden, so die beiden Quantenphysiker, Redundanzen erzeugt, die teilweise zum Auslesen und Korrigieren der Qubit-Zustände benutzt werden könnten. Wenn der Autor richtig verstanden hat, dann ist der am Anfang des Artikels erwähnte Quantenrechner von IonQ genau mit solchen logischen Bits ausgestattet.

IonQ ist einer der Quantencomputer-Hersteller, die ihre Entwicklungen auf Ionenfallen konzentrieren. Weitere Ionenfallen-Rechner kommen von Honeywell und der Firma AlpineQT, ein „geistiges“ Spin-off der Universität Innsbruck. Die Tiroler Landeshauptstadt ist eine der weltweit ersten Adressen in Sachen Quantencomputer – von dort kamen immer wieder bahnbrechende Arbeiten auf diesem Feld, insbesondere auch zur Software. So ist es kein Wunder, dass ebenso wie in Maryland auch in Innsbruck ein Ionenfallen-Start-up den „Hut in den Ring wirft“.

(1) Norbert M. Linke, Markus Müller, Mit Ionen ist zu rechnen, Physik unserer Zeit, 4/2020 (51), S. 168- 175

(2) C.J. Ballance et al. Phys. Rev.Lett. 2015, 8,1918

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