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Quanten-Übertragung auf Knopfdruck

In den neuen Quanten-Informationstechnologien müssen empfindliche Quantenzustände zwischen entfernten Quanten-Bits übertragen werden. ETH-Forschern ist es nun gelungen, eine solche Quanten-Übertragung zwischen zwei Festkörper-Qubits auf Kommando zu realisieren.

Datenübertragung ist das Rückgrat der modernen Informationsgesellschaft, im Grossen wie im Kleinen. Im Internet werden Daten, meist über Glasfaserkabel, zwischen Computern auf der ganzen Welt ausgetauscht. Innerhalb eines einzelnen Computers wiederum müssen ständig Informationen zwischen verschiedenen Prozessoren hin und her gesendet werden. Auch für die neuen Quanten-Informationstechnologien, die derzeit entwickelt werden, ist ein zuverlässiger Datenaustausch von grosser Bedeutung – doch zugleich auch extrem schwierig. An der ETH Zürich ist es Physikern um Andreas Wallraff vom Labor für Festkörperphysik nun gelungen, Quanten-Informationen zwischen zwei knapp einen Meter voneinander entfernten Quanten-Bits auf Kommando und mit hoher Güte zu übertragen. Ihre Ergebnisse erscheinen diese Woche in der Fachzeitschrift Nature.

Fliegende Quanten-Bits

Das Besondere an Quanten-Informationstechnologien – dazu gehören etwa Quantencomputer und Quantenverschlüsselung – liegt in der Verwendung von Quanten-Bits oder «Qubits» als elementares Informationselement. Anders als klassische Bits können Qubits nicht nur den Wert 0 oder 1 haben, sondern auch so genannte Überlagerungszustände einnehmen. Daraus ergibt sich einerseits die Möglichkeit, enorm leistungsfähige Computer zu bauen, die mit diesen Überlagerungszuständen viel effizienter und schneller rechnen können als klassische Computer.

Erstmals gelang es, den Zustand eines supraleitenden Qubits mit einem Koaxialkabel auf ein anderes Qubit zu übertragen.
ETH Zürich / M. Pechal, T. Walter, P. Kurpiers

Andererseits sind diese Zustände aber auch sehr empfindlich und nicht ohne weiteres mit herkömmlichen Methoden zu übertragen. Zunächst muss nämlich der Zustand eines stationären Qubits in ein so genanntes «fliegendes» Qubit verwandelt werden, zum Beispiel in ein Photon, und anschließend zurück auf ein anderes stationäres Qubit. Vor einigen Jahren konnten Forscher auf diese Weise den Quantenzustand eines Atoms übertragen. Wallraff und seinen Mitarbeitern ist es nun erstmals gelungen, eine solche Übertragung auch von einem supraleitenden Festkörper-Qubit auf ein anderes zu realisieren, das sich in einiger Entfernung befand.

Dazu verbanden die Physiker zwei supraleitende Qubits mit einem Koaxialkabel, wie es auch für Antennenanschlüsse verwendet wird. Der Quantenzustand des ersten Qubits, der durch die Anzahl der in ihm enthaltenen supraleitenden Elektronenpaare (so genannte Cooper-Paare) definiert ist, wurde zunächst mit Hilfe von sehr genau kontrollierten Mikrowellenpulsen auf ein Mikrowellen-Photon eines Resonators übertragen. Aus diesem Resonator konnte das Photon dann über das Koaxialkabel in einen zweiten Resonator fliegen, in dem sein Quantenzustand wiederum durch Mikrowellenpulse auf das zweite Qubit übertragen wurde. Ähnliche Experimente wurden kürzlich auch an der Yale University durchgeführt.

Deterministisch statt probabilistisch

«Das Wichtige an unserer Methode ist, dass die Übertragung des Quantenzustands deterministisch, also auf Knopfdruck, funktioniert», betont Philipp Kurpiers, der in Wallraffs Labor als Doktorand arbeitet. In einigen früheren Experimenten konnte zwar eine Übertragung von Quantenzuständen erreicht werden, aber diese war probabilistisch: Manchmal funktionierte sie, meistens aber nicht. Eine erfolgreiche Übertragung konnte zum Beispiel durch ein «Verkündigungs-Photon» angezeigt werden. Hatte die Übertragung nicht geklappt, so probierte man es einfach noch einmal. Die effektive Quanten-Datenrate wurde dadurch natürlich stark reduziert. Für praktische Anwendungen sind daher deterministische Methoden, wie sie jetzt an der ETH demonstriert wurden, von Vorteil.

«Unsere Übertragungsrate für Quantenzustände ist eine der höchsten, die je realisiert wurden, und unsere Übertragungsgüte ist mit 80 Prozent sehr gut», sagt Andreas Wallraff. Mit Hilfe ihrer Technik können die Forscher auch eine quantenmechanische Verschränkung zwischen den Qubits herbeiführen, und das mehr als 50’000 Mal pro Sekunde. Die Übertragungsprozedur selber dauert dabei weniger als eine Millionstel Sekunde, so dass auch bei der Übertragungsrate noch Luft nach oben ist. Quantenmechanische Verschränkung erzeugt eine innige Verbindung zwischen zwei Quantenobjekten auch über grosse Distanzen, die für Verschlüsselungstechniken oder Quanten-Teleportation genutzt wird.

Quantenübertragung für Quantencomputer

Als Nächstes wollen die Forscher versuchen, jeweils zwei Qubits als Sender und Empfänger zu verwenden, wodurch zum Beispiel ein Verschränkung-Austausch zwischen den Qubit-Paaren möglich wird. Ein solcher Prozess ist nützlich für grössere Quantencomputer, die in den nächsten Jahren gebaut werden sollen. Bisher bestehen diese zwar nur aus einigen wenigen Qubits, doch wenn man grössere Rechner bauen will, wird sich schon ab ein paar Hundert Qubits die Frage stellen, wie man diese am effektivsten miteinander verbindet, um die Vorteile eines Quantenrechners am besten auszunutzen.

Ähnlich wie bei heute verwendeten Clustern von Einzelrechnern könnten dann Quantencomputer-Module mithilfe der von Wallraff entwickelten Technik miteinander verbunden werden. Dabei könnte die jetzige Übertragungsdistanz von einem Meter durchaus noch gesteigert werden. Wallraff und seine Mitarbeiter haben kürzlich gezeigt, dass ein extrem stark gekühltes und dadurch supraleitendes Kabel Mikrowellenphotonen verlustarm über Strecken von einigen zehn Meter übertragen kann. Die Verkabelung eines Quanten-Rechenzentrums wäre so also durchaus machbar.

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Ultradünner Supraleiter

Auf dem Weg zu neuen quantenelektronischen Instrumenten

Forschern des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT) ist es gemeinsam mit Kollegen aus Karlsruhe, London und Moskau gelungen, erstmals einen kohärenten Quanteneffekt mit einem bei tiefen Temperaturen kontinuierlich supraleitenden Nanodraht experimentell nachzuweisen und damit einen neuen Quantendetektor zu realisieren. Der nur wenige Nanometer große Sensor öffnet eine bislang verschlossene Tür der experimentellen Quantenphysik und ermöglicht zukünftig die Erforschung völlig neuer physikalischer Instrumente in der Quantenelektronik und Quantenoptik. Die Ergebnisse publizierten die Wissenschaftler Anfang April im renommierten Fachjournal Nature Physics.

Elektronenmikroskopische Aufnahme des CQUIDS aus einem NbN-Nanodraht (links) und schematische Darstellung (rechts) mit der Bewegung des Flußquants (Φ) um eine Ladung (q).
Quelle: NPL/Leibniz-IPHT

In der Veröffentlichung beschreibt das internationale Wissenschaftler-Team ein fundamentales quantenmechanisches Experiment: der erste Nachweis des Aharonov-Casher-Effekts mit einem Niobnitrid-Nanodraht in einem CQUID-Quantensensor (Charge Quantum Interference Device). Der Effekt, den die theoretischen Physiker Yakir Aharonov und Aharon Casher bereits im Jahr 1984 postulierten, beschreibt die quantenmechanische Bewegung magnetischer Flußquanten – den kleinsten Einheiten des Magnetfelds – um elektrische Ladungen. Anwendungsmöglichkeiten sehen die Wissenschaftler unter Anderem in einem zuverlässigen Standard zur Neudefinition der Maßeinheit Ampere, in hochauflösenden photonischen Detektoren oder als Element zur Informationsverarbeitung in Quantencomputern.

CQUID – Ein neuer Quantensensor:

Der erstmals erfolgreich realisierte CQUID-Sensor ist das Gegenstück zu den seit Jahrzehnten bekannten supraleitenden Quanten-Interferenz-Detektoren (SQUIDs), deren Funktionsweise auf der quantenmechanischen Bewegung elektrischer Ladungen um magnetische Flußquanten beruht. Im Gegensatz dazu bewegen sich in den CQUIDs die magnetischen Flußquanten um elektrische Ladungen im Supraleiter. Den Aharonov-Casher-Effekt konnten Forscher experimentell bisher nur in Supraleitern mit gezielt präparierte Schwachstellen, den Josephson-Kontakten, nachweisen.

„Ob man das Phänomen ohne Josephson-Kontakte, also in einem Supraleiter ohne Schwachstellen, beobachten kann, wurde in der wissenschaftlichen Gemeinschaft bezweifelt. Es existierte bis jetzt kein geeignetes Material, welches die Flußquanten ungehindert durchdringen konnten“, erklärt Quantenphysiker Prof. Evgeni Il’ichev vom Leibniz-IPHT das wissenschaftliche Problem. Den entscheidenden Beitrag zur Realisierung des Experiments lieferten nun die ultradünnen, mittels Atomlagenabscheidung (ALD) gefertigten NbN-Schichten des Leibniz-IPHT.

ALD-Niobnitrid – Ein Material mit einzigartigen physikalischen Eigenschaften:

Die Herausforderung für die Jenaer Forscher bestand darin, ein Material zu finden, dass ein quantenmechanisches Tunneln von magnetischen Flußquanten in bestimmten Bereichen der supraleitenden Struktur des CQUIDs, den Phase-Slip-Kontakten, zulässt. „Uns fielen die besonderen strukturellen und elektrischen Eigenschaften der mittels ALD erzeugten Schichten aus Niobnitrid auf. Eine spezielle Unordnung in der Kristallstruktur der Schichten ermöglicht erst das Tunneln der Flußquanten durch die zwei Einschnürungen in der CQUID-Struktur. Das heißt, sie können eine Barriere quantenmechanisch durchdringen – ein Phänomen, das in unserer klassischen Welt nicht möglich ist“, so Dr. Sven Linzen, Physiker am Leibniz-IPHT. Dank intensiver Technologieforschung gelang es, die nur 3,3 Nanometer dicken NbN-Filme auf einen Silizium-Träger im Reinraum des Leibniz-IPHT aufzubringen. Aus ihnen präparierten die Partner um Prof. Oleg Astafiev am National Physics Laboratory (NPL) in London den neuen CQUID-Quantensensor, mit dem der Nachweis des Quanteneffekts gelang.

„Mit dem NbN-Material und dessen Herstellungstechnologie halten wir den Schlüssel zu einer bislang verschlossenen Tür der experimentellen Quantenphysik in der Hand. Wir stehen noch am Anfang, sehen die Anwendungsfelder der neuen Phase-Slip-Kontakte und Quantensensoren aber ebenso vielfältig wie die Einsatzgebiete der bekannten Josephson-Kontakte und SQUIDs. Denkbar sind die Entwicklung eines in der Elektronikindustrie dringend benötigten Standards zur präzisen Festlegung der Stromstärke in Analogie zum Josephson-Voltstandard, neue optische Detektorkonzepte oder ein Durchbruch bei der Realisierung anwendbarer Quantenbits als Grundbausteine für zukünftige Quantencomputer“, blickt Dr. Sven Linzen in die Zukunft.

Die Originalveröffentlichung mit dem Titel „Charge quantum interference device“ von Sebastian E. de Graaf, Sebastian T. Skacel, Teresa Hönigl-Decrinis, Rais Shaikhaidarov, Hannes Rotzinger, Sven Linzen, Mario Ziegler, Uwe Hübner, Hans-Georg Meyer, Vladimir Antonov, Evgeni Il’ichev, Alexey V. Ustinov, Alexander Tzalenchuk, Oleg V. Astafiev, erschien am 9. April 2018 in Nature Physics.

Das Leibniz-Institut für Photonische Technologien:

Das Leibniz-Institut für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) erforscht die wissenschaftlichen Grundlagen für photonische Verfahren und Systeme höchster Sensitivität, Effizienz und Auflösung. Gemäß dem Motto „Photonics for Life – from ideas to instruments“ entwickeln Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Leibniz-IPHT maßgeschneiderte Lösungen für Fragestellungen aus den Bereichen Lebens- und Umweltwissenschaften sowie Medizin.

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Quantenbits per Licht übertragen

Der Quantencomputer rückt näher: Physiker aus Princeton, Konstanz und Maryland koppeln Quantenbits und Licht

Neue Forschungsergebnisse zeigen das Potenzial von Licht als Medium, um Informationen zwischen sogenannten Quantenbits (Grundrecheneinheit des Quantencomputers) zu übertragen. Physikern der Princeton University (USA), der Universität Konstanz und des Joint Quantum Institute (Maryland, USA) ist es gelungen, Quantenbits mit dem elektromagnetischen Feld von Licht zu koppeln. Das Verfahren ermöglicht nicht nur die Übertragung von Informationen zwischen Quantenbits, die nicht direkt nebeneinanderliegen, sondern könnte auch ein störungsfreieres Auslesen der hochempfindlichen Quantenzustände ermöglichen. Die Forschungsergebnisse sind im renommierten Wissenschaftsjournal Nature in der Ausgabe vom 14. Februar 2018 veröffentlicht.

Foto: Schemaansicht Kugelkoordinaten, Ichijiku, Attribution-Share Alike 3.0 Unported

Die Physiker erzeugten zunächst Quantenbits aus Silicium, indem sie einzelne Elektronen separierten und in Siliciumkammern – sogenannten „double quantum dots“ – einschlossen. Der Drehimpuls des Elektrons, der sogenannte Elektronenspin, dient dabei als Speichermedium der Quanteninformation. Mittels eines Magnetfeldes gelang es den Forschern daraufhin, die Quanteninformation des Elektronenspins auf Licht (Photonen) zu übertragen. Licht besteht aus oszillierenden elektrischen und magnetischen Feldern. Die Forscher koppelten erfolgreich das elektromagnetische Feld des Lichts mit dem Drehimpuls des Elektrons, wodurch das Elektron seine Quanteninformation an das Licht weitergibt.

Quanteninformationen per Licht auf andere Quantenbits übertragen

Dieser Forschungserfolg eröffnet die Möglichkeit, Quanteninformationen per Licht auf andere Quantenbits zu übertragen. Die Kopplung von Quantenbits, die nicht direkt benachbart sind und weiter als nur wenige Nanometer auseinanderliegen, war bis zuletzt eine der großen Herausforderungen der Quantencomputer-Entwicklung.

„Dieses Ergebnis gibt unserer Forschung eine ganz neue Richtung“, schildert Prof. Jason Petta, Ph.D., Professor für Physik an der Princeton University, und zieht einen Vergleich heran: „Wir verlassen damit eine zweidimensionale Landschaft, in der nur direkte Nachbarn zueinander in Kontakt stehen können, und betreten eine Welt, in der jeder mit jedem verbunden ist. Das gibt uns Flexibilität für die Anordnung der Bausteine des Quantencomputers.“

Der theoretische Rahmen des Forschungsprojektes wurde von Konstanzer Seite aus entwickelt, unter Federführung von Prof. Dr. Guido Burkard und Dr. Mónica Benito an der Professur für Theorie der kondensierten Materie und Quanteninformation der Universität Konstanz. „Das Ergebnis eröffnet uns den Weg, das Verfahren nun auch auf komplexere Systeme zu übertragen“, gibt Guido Burkard einen Ausblick und ergänzt: „Eine Stärke unseres siliciumbasierten Ansatzes ist, dass er den Standards der Halbleiterindustrie entspricht.“

Die Forscher nehmen an, dass ihre Methode ein weiteres Problem des Quantencomputers lösen könnte: Quantenbits sind hochempfindlich gegenüber Störquellen von außen, zum Beispiel durch Erschütterungen oder Hitze. Bereits das einfache Auslesen eines Quantenbits kann seinen Quantenzustand zerstören. Der neue Ansatz aus Princeton, Konstanz und Maryland könnte dieses Problem umgehen, da Licht verwendet wird, um die Quanteninformationen auszulesen. Anders als bisherige Ausleseverfahren verändert Licht nur minimal die Position und den Zustand des Elektrons, das die Quanteninformation trägt, und löscht sie dabei nicht.

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Weltweit erstes schaltbares Quanten-Metamaterial untersucht

Auf dem Weg zum Quantencomputer: Quantencomputer können eine große Zahl an Rechenoperationen gleichzeitig ausführen. Damit versprechen sie komplexe Probleme viel schneller zu lösen als heutige Computer. Hochschulen und Unternehmen wie Google oder IBM forschen an den physikalischen Grundlagen zur Realisierung eines solchen Computers. Wissenschaftler aus Jena, Karlsruhe und Moskau sind der Zukunftsvision der Quanteninformatik ein Stück nähergekommen. Ihnen ist es gelungen das weltweit erste Quanten-Metamaterial zu realisieren, dessen Lichtdurchlässigkeit bei Temperaturen von -273°C genau steuerbar ist. Das Material könnte als Kontrollelement in Schaltungen bei der Quantensignalverarbeitung zur Anwendung kommen.

Elektronenmikroskopische Aufnahme des Quanten-Metamaterials. Es besteht aus 15 Zwillings-Qubits, eingebettet in einen koplanaren Wellenleiter (unten). Ein Qubit mit 5 Josephson-Kontakten (oben).
Quelle: NUST MISIS

Das Team aus Forschern vom Jenaer Leibniz-Institut für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT), dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der National University of Science and Technology (NUST MISIS) in Moskau stellte erstmals ein Quanten-Metamaterial her, das auf besondere Weise mit elektromagnetischer Strahlung im Mikrowellenbereich wechselwirkt. Das Metamaterial besteht aus einer linearen Anordnung von 15 Meta-Atomen, den Quantenbits (Qubits): Schleifen von wenigen Mikrometern Durchmesser aus Aluminium, die bei ihrer Arbeitstemperatur von etwa -273°C elektrischen Strom supraleitend und damit verlustfrei transportieren. An einigen Stellen sind die Aluminiumringe durch wenige Nanometer dünne Tunnelstrukturen, die Josephson-Kontakte, unterbrochen. So entstehen supraleitende Schwingkreise, in denen Strom nur in zwei definierten Zuständen fließt.

Mit Magnetfeld schaltbare Eigenschaften:

Die Forscher konstruierten nun erstmals ein Metamaterial aus sogenannten Zwillings-Qubits, die aus zwei miteinander verbundenen Schleifen bestehen und damit statt drei, fünf Josephson-Kontakte besitzen. Entstanden sind die Strukturen im Reinraum des Leibniz-IPHT. „Wir haben untersucht wie sich die Zwillings-Qubits verhalten, wenn wir sie mittels eines Magnetfeldes in zwei verschiedene Zustände bringen. Dabei zeigt das Metamaterial eine für uns unerwartete Eigenschaft. Über das Magnetfeld können wir seine Durchlässigkeit für Strahlung im Mikrowellenspektrum genau steuern. Dass man die Transparenz dieser speziellen Quanten-Metamaterialien über die Konfiguration des Grundzustandes der Qubits ein- bzw. ausschalten kann, hat uns überrascht. Das war bislang völlig unbekannt,“ beschreibt der Leibniz-IPHT-Wissenschaftler Prof. Evgeni Il’ichev die Entdeckung. Die Forschungsergebnisse, die unter Leitung von Prof. Alexey Ustinov (NUST MISIS) entstanden, publizierten die Wissenschaftler im hochrangigen Fachblatt Nature Communications.

Qubits – Ein System in zwei Zuständen gleichzeitig:

Im Unterschied zu den Einheiten (Bits) eines klassischen Rechners nehmen die Qubits nicht nur die Zustände 0 und 1 an. Sie gehorchen den Gesetzen der Quantenmechanik und befinden sich in einem überlagerten Zustand, der gleichzeitig 0 und 1 ist. Im Fall supraleitender Qubit-Schaltkreise fließt der magnetfeldinduzierte Strom zugleich links (0) und rechts herum (1). Allerdings existieren die Überlagerungszustände nur so lange bis sie gemessen werden – in diesem Moment nimmt das System entweder den Wert 0 oder 1 an. Durch die Überlagerungszustände können Quantencomputer eine große Zahl an Rechenoperationen parallel verarbeiten, während heutige Rechner diese nacheinander ausführen. Die Anzahl der Operationen steigt exponentiell mit der Anzahl der eingesetzten Qubits. Die Firma IBM bietet online-Zugriff auf einen Supraleiter-basierten Quantencomputer mit 20 Qubits.

Das Leibniz-Institut für Photonische Technologien:

Das Leibniz-Institut für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) erforscht die wissenschaftlichen Grundlagen für photonische Verfahren und Systeme höchster Sensitivität, Effizienz und Auflösung. Gemäß dem Motto „Photonics for Life – from ideas to instruments“ entwickeln Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Leibniz-IPHT maßgeschneiderte Lösungen für Fragestellungen aus den Bereichen Lebens- und Umweltwissenschaften sowie Medizin.

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Quantenbits mit Laserpulsen bei extrem tiefen Temperaturen kontrollieren

Quantencomputer, die bestimmte Probleme im Vergleich zu heutigen Rechnern um ein Vielfaches effizienter lösen können, stecken technisch noch in den Kinderschuhen. Die präzise Kontrolle ihrer Recheneinheiten, der Quantenbits (Qubits), ist außerordentlich herausfordernd, da diese in der Regel sehr kurzlebig sind. Dies gilt insbesondere für Quantenbits, welche in Festkörpern eingebettet sind. Physiker der Saar-Uni haben nun eine neue Methode entwickelt, um solche Qubits in Diamant zu kontrollieren und somit länger für Rechenoperationen nutzbar zu machen. Dafür müssen sie die Quantenbits nahe an den absoluten Temperatur-Nullpunkt herunterkühlen.

Ihre Ergebnisse haben die Wissenschaftler in der aktuellen Ausgabe des renommierten Fachmagazins Physical Review Letters publiziert (https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.053603).

Jonas Becker, Erstautor der Studie, mit der experimentellen Apparatur zur Kühlung der Quantenbits.
Foto: AG Becher, Saar-Uni.

Es erinnert an den Versuch, mit einem großen Tapetenpinsel und in Boxerhandschuhen die hauchfeinen Konturen der Mona Lisa zu restaurieren: Geht ein Pinselstrich nur ein wenig daneben, ist das Werk ruiniert. Was die Quantenphysiker mit Quantenkontrolle bezeichnen, ist ähnlich kompliziert wie diese – fiktive – kunsthistorische Jahrtausendaufgabe es wäre. Denn den Zustand eines Quantenbits (Qubit), der Recheneinheit eines Quantencomputers, ist extrem flüchtig und labil, so dass es höchst präziser Kunstgriffe bedarf, um diesen nützlichen Zustand möglichst lange zu erhalten.

Physiker der Universität des Saarlandes um die Professoren Christoph Becher und Pavel Bushev haben diesen Überlagerungszustand, in dem sich zum Beispiel ein Atom in zwei Zuständen gleichzeitig befindet, in Kooperation mit Kollegen aus Cambridge bei extrem tiefen Temperaturen von nur vierzig tausendstel Kelvin (vierzig tausendstel Grad über dem absoluten Temperaturnullpunkt) untersucht und mithilfe von Laserpulsen gezielt kontrolliert. Das Quantenbit ist in ihrem Fall ein so genanntes Silizium-Fehlstellen-Farbzentrum, ein gewollt eingebauter „Fehler“ in der atomaren Gitterstruktur eines künstlichen Diamanten, der aus Kohlenstoff besteht. Statt zweier Kohlenstoffatome befinden sich hier zwei Fehlstellen im Gitter, die ein Silizium-Atom in der Mitte einschließen. Die unterschiedlichen Zustände des Defekts können für die Quanteninformationsverarbeitung, also zum Beispiel zum Rechnen, genutzt werden.

Die Physiker mussten dabei aber ein Problem umgehen: Je höher die Temperatur ist, desto stärker werden die Atome des Gitters in Schwingung versetzt, da sie die Energie aus der Umgebung aufnehmen. Je wärmer es also ist, desto stärker ist dieser Effekt. Dabei reichen schon wenige Grad über dem Nullpunkt aus, um die Schwingungen so stark werden zu lassen, dass der angestrebte Überlagerungszustand verloren geht. Mit dem Herunterkühlen des künstlichen Diamanten auf wenige Tausendstel Grad über dem Nullpunkt geraten auch diese störenden Einflüsse in den Hintergrund, da bei solch tiefen Temperaturen die Kristallschwingungen praktisch vollständig ausgefroren sind. Die große Herausforderung hierbei besteht zum einen darin, die einzelnen Qubits mit dem Laser in einem stabilen Quantenzustand zu erzeugen und dort zu halten. Zum anderen darf natürlich nicht zu viel Wärme an den Diamant abgegeben werden, um die tiefen Temperaturen zu erhalten.

Neu, hochauflösend: konfokales Mikroskop

Zu diesem Zweck entwickelte das Team um Doktorand Jonas Becker, der nach seiner Promotion inzwischen an der Universität Oxford forscht, ein neues, hochauflösendes konfokales Mikroskop, welches die Quantenbits präzise darstellen kann und Kontrolle dieser Qubits bei Millikelvin-Temperaturen mittels Laserpulsen ermöglicht. Gegenüber anderen gängigen Kontrolltechniken, etwa mit Mikrowellen, bietet dieses Verfahren den großen Vorteil, dass der Wärmeeintrag durch einen gezielt fokussierten Laser ausschließlich direkt am Qubit erfolgt und zudem sehr gering ist, da bereits wenige Nanowatt an Laserleistung für eine vollständige Kontrolle ausreichend sind. Wie die Forscher im weiteren Verlauf der Experimente herausfinden konnten, verlängern sich die Kohärenzzeiten, in denen das Qubit stabil im Überlagerungszustand existiert, allerdings nur ein wenig.

Neben diesem unerwarteten Resultat – die Physiker hatten eigentlich mit einer deutlichen Verlängerung des Kohärenzzustandes gerechnet –

Die verwendete Kühlapparatur mit konfokalem Mikroskop.
Foto: AG Becher, Saar-Uni.

gewannen sie aber andere wertvolle Erkenntnisse. Sie konnten die Interaktion der Qubits mit ihrer Umgebung detailliert untersuchen und einen weiteren limitierenden Prozess finden, der die Quantenkontrolle stört. Denn in dem künstlich hergestellten Diamanten gibt es neben den „gewollten“ Verunreinigungen, den Silizium-Fehlstellen-Zentrum, an manchen Stellen auch unerwünschte Verunreinigungen, die bei der Herstellung des Diamanten entstehen. Pro einer Million Atome sind das nur 13 „ungewollte“ Verunreinigungen mit Stickstoff-Atomen. Aber schon diese geringe Anzahl an „falschen“ Atomen im Kristallgitter stört mit ihrem Magnetfeld den Überlagerungszustand der gewollten Silizium-Fehlstellen-Zentren. Dieser Effekt wäre den Forschern gar nicht aufgefallen, wenn sie das Experiment nicht so nahe am absoluten Nullpunkt gemacht hätten. Die Störung durch die bereits erwähnte Schwingung, die durch Wärmeeintrag ausgelöst wird, überlagert die Störung durch die Verunreinigungen deutlich.

Dieses Wissen kann nun dazu genutzt werden, neue, noch reinere Proben zu entwickeln, die die gewünschten Eigenschaften aufweisen. Zudem kann die entwickelte Mikroskopietechnik nun dazu genutzt werden, auch andere Kandidaten für Festkörper-Quantenbits bei Millikelvin-Temperaturen mithilfe von optischen Methoden detailliert zu untersuchen.

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Stabile Quantenbits

Physiker aus Konstanz, Princeton und Maryland schaffen ein stabiles Quantengatter als Grundelement für den Quantencomputer

Wissenschaftler der Universität Konstanz, der Princeton University sowie der University of Maryland entwickeln ein stabiles Quantengatter für Zwei-Quantenbit-Systeme aus Silicium. Das Quantengatter ist in der Lage, alle notwendigen Grundoperationen des Quantenrechners auszuführen. Als grundlegende Speichereinheit („Quantenbit“) dient der sogenannte Elektronenspin von einzelnen Elektronen in Silicium. Die Forschungsergebnisse sind im Wissenschaftsjournal Science in der Online-Ausgabe First Release vom 7. Dezember 2017 veröffentlicht und erscheinen später in der Druckausgabe.

Meilenstein auf dem Weg zum Quantencomputer

Bis der erste Quantencomputer in den Kaufhäusern stehen wird, werden noch einige Jahre ins Land gehen. Schon heute zeichnet sich aber ab, dass mit dem Quantencomputer ein großer Entwicklungssprung der Computertechnologie ansteht. Der Quantenrechner wird leistungsfähiger sein und Probleme lösen können, an denen klassische Computer scheitern. Allerdings reagiert der Quantencomputer weitaus empfindlicher auf Störungen von außen als ein klassischer Rechner. Ein vorrangiges Ziel der Forschung ist also, stabile „Quantengatter“ – so heißt das grundlegende „Schaltsystem“ des Quantencomputers – zu schaffen. Wissenschaftlern der Universität Konstanz, der Princeton University und der University of Maryland ist es nun gelungen, stabile Quantengatter für Zwei-Quantenbit-Systeme zu erstellen. Ihr Quantengatter nutzt einzelne Silicium-Elektronen als Informationsspeicher („Quantenbit“) und kann die Interaktion von zwei Quantenbits präzise steuern und auslesen. Damit ist das Quantengatter in der Lage, alle notwendigen Grundoperationen des Quantenrechners zu vollziehen.

Vom Elektron zum Quantenbit

So wie ein klassischer Digitalrechner mit dem „Bit“ die Zustände Null und Eins als Grundeinheit aller Rechenprozesse verwendet, so braucht auch ein Quantencomputer eine grundlegende Speichereinheit, das Quantenbit. Dieses verfügt aber neben der Null und der Eins über weitere Zustände und ist daher sehr viel komplexer in seiner Umsetzung als ein einfaches Digitalsystem. In der Forschung gibt es mehrere Ideen, wie ein Quantenbit technisch realisiert werden könnte, beispielsweise über Ionen oder supraleitende Systeme. Die Forscher aus Konstanz, Princeton und Maryland nutzen hingegen den Elektronenspin im Halbleitermaterial Silicium als Grundlage des Quantenbits, also den Eigendrehimpuls eines einzelnen Elektrons. Die Drehrichtung des Elektrons entspricht der Null und Eins des digitalen Bit, wobei der genaue Quantenzustand des Elektrons weitere Information verkörpern kann, die über die bloße Null und Eins hinausgeht.

Eine erste Leistung der Forscher war daher, aus den Milliarden von Atomen eines Silicium-Stücks ein einzelnes Elektron herauszulösen. „Das ist eine extreme Leistung, die da von unseren Kollegen aus Princeton vollbracht wurde“, schildert der Konstanzer Physiker Prof. Dr. Guido Burkard, der die theoretische Forschung in Konstanz koordinierte. Die Forscher nutzen eine Kombination aus elektromagnetischer Anziehung und Abstoßung, um ein einzelnes Elektron aus dem Elektronenverbund zu separieren. Die herausgelösten Elektronen werden anschließend punktgenau aufgereiht und jeweils in eine Art „Mulde“ eingebettet, wo sie in einem Schwebezustand gehalten werden.

Die nächste Herausforderung war, ein System zu entwickeln, mit dem der Drehimpuls der einzelnen Elektronen kontrolliert werden kann. Die Konstanzer Physiker um Guido Burkard und Maximilian Russ haben hierfür ein Verfahren entwickelt: An jedes Elektron wird jeweils eine Nano-Elektrode angelegt. Mittels eines sogenannten Magnetfeldgradienten können die Physiker ein ortsabhängiges Magnetfeld schaffen, mit dem sich die Elektronen einzeln ansteuern lassen. Die Forscher können dadurch den Drehimpuls der Elektronen steuern. Sie haben damit stabile Ein-Quantenbit-Systeme geschaffen, mit denen Information in Form von Elektronspins gespeichert und ausgelesen werden kann.

Der Schritt zum Zwei-Quantenbit-System

Ein Quantenbit allein reicht jedoch noch nicht aus, um das grundlegende Schaltsystem eines Quantencomputers zu erzeugen – hierfür sind zwei Quantenbits nötig. Der entscheidende Schritt zum Zwei-Quantenbit-System bestand für die Konstanzer Forscher darin, die Zustände zweier Elektronen miteinander zu koppeln. Durch diese Verknüpfung lassen sich basale Schaltsysteme konstruieren, mit denen alle Grundoperationen des Quantenrechners ausgeführt werden können. Beispielsweise lässt sich das System so programmieren, dass sich ein Elektron nur genau dann dreht, wenn sein benachbartes Elektron einen Spin in eine vorherbestimmte Richtung aufweist.

Die Konstanzer Wissenschaftler mussten folglich ein stabiles System schaffen, um die Spins zweier einzelner Elektronen miteinander zu verknüpfen. „Das war der wichtigste und schwierigste Teil unserer Arbeit“, erzählt Guido Burkard, der das Verfahren gemeinsam mit Maximilian Russ, einem Mitarbeiter seiner Arbeitsgruppe, entwarf und plante. Sie entwickelten ein Schaltsystem, das die Drehimpulse von zwei Elektronen in gegenseitiger Abhängigkeit koordiniert. Zwischen den beiden „Mulden“, in denen die Silicium-Elektronen schweben, wird eine weitere Nano-Elektrode angebracht. Diese steuert die Schaltung der beiden Elektronenspins. Damit gelang es den Physikern, eine stabile und funktionsfähige Grundrecheneinheit für einen Quantencomputer zu realisieren. Die Fehlersicherheit liegt bei über 99 Prozent beim einzelnen Quantenbit und bislang rund 80 Prozent bei der Interaktion zweier Quantenbits – wesentlich stabiler und präziser als bisherige Versuche.

Silicium – ein „ruhiges Material“

Ausgangsmaterial des Quantengatters ist Silicium. „Ein magnetisch sehr ruhiges Material mit einer geringen Anzahl eigener Kernspins“, fasst Guido Burkard die Vorteile von Silicium zusammen. Wichtig bei dem gewählten Material ist, dass seine Atomkerne nicht zu viele Spins, das heißt Eigendrehimpulse, mit sich bringen, welche die Quantenbits stören könnten. Silicium weist mit einem Anteil von rund fünf Prozent eine extrem niedrige Spin-Aktivität der Atomkerne auf und ist daher in besonderem Maße geeignet. Ein weiterer Vorteil: Silicium ist das Standardmaterial der Halbleitertechnologie und entsprechend gut erforscht, so dass die Wissenschaftler von langjährigen Erfahrungen mit dem Material profitieren.

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Wesentliche Quantencomputer-Komponente um zwei Größenordnungen verkleinert

Der nächste Schritt zum Qantencomputer?

Forscher am IST Austria haben kompakte nichtmagnetische Photonenrouter entwickelt. Die mikrometergroßen Bauelemente leiten Mikrowellenphotonen unidirektional und können Qubits vor schädlichem Rauschen schützen.

Quantenbits, auch Qubits genannt, sind die Schlüsselbausteine zukünftiger Quantencomputer. Um eine Berechnung durchzuführen, müssen Signale zu und von den Qubits weg geleitet werden. Gleichzeitig sind Qubits aber extrem empfindlich gegenüber Störungen aus ihrer Umgebung und müssen von unerwünschten Signalen, insbesondere von Magnetfeldern, abgeschirmt werden. Es ist daher ein Problem, dass diejenigen Bauteile, die Qubits vor unerwünschten Signalen schützen sollten, sogenannte nichtreziproke Bauelemente wie Isolatoren oder Zirkulatoren, selbst Magnetfelder erzeugten. Darüber hinaus sind kommerzielle Zirkulatoren mehrere Zentimeter groß, was problematisch ist, da ein Quantenprozessor eine große Anzahl solcher Elemente benötigt. Jetzt haben Wissenschaftler des Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) in Klosterneuburg gleichzeitig mit konkurrierenden Gruppen in der Schweiz und den Vereinigten Staaten die Größe dieser Bauteile um etwa zwei Größenordnungen verringert. Ihre Vorrichtung, deren Funktion sie mit der eines Kreisverkehrs für Photonen vergleichen, ist nur etwa ein Zehntel Millimeter groß und – was vielleicht noch wichtiger ist – sie ist nichtmagnetisch. Ihre Studie wurde in der Open-Access-Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Der neue nichtreziproke Bauteil wirkt wie eine Kreisverkehr für Photonen. Hier zeigen Pfeile die Ausbreitungsrichtung verschiedener Photonen.
IST Austria/Birgit Rieger

Wenn Forscher ein Signal, zum Beispiel ein Mikrowellenphoton, von einem Qubit empfangen wollen, aber gleichzeitig verhindern wollen, dass Rauschen und andere Störsignale denselben Weg zurück zum Qubit nehmen, verwenden sie nichtreziproke Bauteile wie Isolatoren oder Zirkulatoren. Diese Geräte steuern den Signalverkehr, ähnlich wie der Straßenverkehr im Alltag geregelt wird. Aber im Fall eines Quantencomputers sind es nicht Autos, die den Verkehr verursachen, sondern Photonen in Übertragungsleitungen. „Stellen Sie sich einen Kreisverkehr vor, in dem Sie nur gegen den Uhrzeigersinn fahren können“, erklärt Erstautor Dr. Shabir Barzanjeh, Postdoc in der Gruppe von Professor Johannes Fink am IST Austria. „An der ersten Ausfahrt, ganz unten, befindet sich unser Qubit. Sein schwaches Signal kann zur zweiten Ausfahrt ganz oben gelangen. Aber ein Signal, das von dieser zweiten Ausfahrt kommt, kann nicht denselben Weg zurück zum Qubit nehmen. Es wird gezwungen, entgegen dem Uhrzeigersinn zu fahren, und bevor es Ausgang 1 erreichen kann, trifft es auf Ausgang 3. Dort blockieren wir es und verhindern, dass es das Qubit beschädigt.“

Die von der Gruppe entwickelten Zirkulatoren bestehen aus integrierten Aluminiumschaltkreisen auf Siliziumchips. Erstmals wurden dabei mikromechanischen Oszillatoren verwendet: zwei kleine Siliziumbalken, die auf dem Chip wie Gitarrensaiten schwingen und mit dem Schaltkreis interagieren. Diese Bauteile sind winzig: nur etwa einen Zehntel Millimeter im Durchmesser, was einen der Hauptvorteile des neuen Geräts gegenüber seinen traditionellen Vorgängern darstellt, die einige Zentimeter breit waren.

Die Prinzipien von Quantencomputern werden derzeit nur an einigen wenigen Qubits getestet, aber in Zukunft werden Tausende oder sogar Millionen von Qubits miteinander verbunden sein, und viele dieser Qubits benötigen ihren eigenen Zirkulator. „Stellen Sie sich vor, Sie bauen einen Prozessor mit Millionen solcher zentimetergroßen Komponenten. Er wäre enorm groß und unpraktisch“, sagt Shabir Barzanjeh. „Unsere nichtmagnetischen und sehr kompakten Mikrochipzirkulatoren zu verwenden macht das Leben viel einfacher.“ Bis es zu dieser konkreten Anwendung der neuen Bauteile kommt, sind aber noch einige Hürden zu nehmen. So ist die verfügbare Signalbandbreite derzeit noch recht klein und die relativ hohen erforderlichen Eingangsleistungen könnten den Qubits schaden. Die Forscher sind aber zuversichtlich, dass sich diese Probleme als durchaus lösbar erweisen werden.