Forschung & Entwicklung

Quantensimulation per Lichtfunk

Quantensimulatoren versprechen, die Eigenschaften komplexer Quantensysteme genau zu berechnen. In einem nun entwickelten Werkzeugkasten für Quantensimulatoren ist das Prinzip der Topologie verarbeitet, um Quantenbits zum Beispiel aus einzelnen Atomen gezielt untereinander per Lichtfunk kommunizieren zu lassen.

„Wie können wir zwei voneinander entfernte Quantenbits dazu bringen, miteinander zu ,sprechen‘?“, fragt Alejandro González-Tudela. Das ist eine wesentliche Herausforderung auf dem Gebiet der Quanteninformation. Der theoretische Physiker war bis vor Kurzem Postdoktorand in der Abteilung von Ignacio Cirac, Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching, heute ist er Wissenschaftler am Instituto de Física Fundamental IFF-CSIC in Madrid. Gemeinsam mit Cirac und zwei ebenfalls spanischen Kollegen vom Instituto de Ciencias de Materiales de Madrid hat er nun eine wissenschaftliche Arbeit publiziert, die einen neuen Werkzeugkasten in die Photonik einführt.

Eine Anwendungsmöglichkeit ist die sogenannte Quantensimulation, die auf eine Idee von Nobelpreisträger Richard Feynman zurückgeht. Will man das Verhalten eines Quantensystems auf einem herkömmlichen Computer möglichst exakt berechnen, so verdoppelt sich die notwendige Rechenleistung mit jedem neuen Quantenteilchen im System. Daher stoßen konventionelle Supercomputer schon bei relativ kleinen Quantensystemen aus wenigen Dutzend Teilchen an die Grenze ihrer Leistungsfähigkeit. Feynman hatte schon vor Jahrzehnten die Idee, das Verhalten eines Quantensystems mithilfe eines anderen Quantensystems zu simulieren. Ein solcher Quantensimulator ist im Prinzip ein spezialisierter Quantencomputer, dessen einzelne Quantenbits gut von außen steuerbar sind – im Gegensatz zum eher unzugänglichen Quantensystem, dessen Verhalten er simulieren soll.

An solchen Quantensimulatoren wird seit vielen Jahren intensiv geforscht. So ein Simulator kann zum Beispiel aus einer Wolke ultrakalter Atome bestehen, die in einem räumlichen Gitter aus Laserlicht gefangen sind. Sollen diese Quantenbits – oder kurz Qubits – nun miteinander wechselwirken, dann tun sie dies über den Austausch von Photonen. Allerdings sendet ein Atom ein solches Photon normalerweise in irgendeiner zufälligen Richtung aus. Viel effizienter für Quantensimulationen wäre es, wenn das Qubit sein Photon zielgerichtet seinen nächsten oder übernächsten Nachbarn adressieren könnte.

González-Tudela und seine Mitarbeiter haben nun ein theoretisches Prinzip entwickelt, das einen solchen einen zielgerichteten ‚Photonenfunk‘ zwischen den Atomen ermöglicht. „Wir müssen die Qubits und Photonen dazu in einen Wellenleiter packen“, erklärt der Theoretiker. Allerdings: Wie verbindet man ein Ensemble von Atomen, die in einem Lichtgitter im Raum schweben, mit solchen Wellenleitern? Und wie bringt man sie dazu, auf robuste Weise miteinander zu ‚reden‘?

Mit einem Trick, der im Wesentlichen darin besteht, das mathematische Konzept der Topologie aus der Festkörperphysik in die Photonik zu übertragen. Im Prinzip geht es dabei darum, wie viele Löcher ein geometrischer Körper hat. Eine Kaffeetasse zum Beispiel hat ein Loch im Henkel, genau wie ein Donut-Kringel im Zentrum, und damit haben beide die topologische Zahl Eins. Die Konsequenz: Rein geometrisch gesehen können Tasse und Donut leicht ineinander umgewandelt werden. Auf topologischen Widerstand hingegen stößt man, wenn man einen einlöchrigen Donut in eine dreilöchrige Bretzel umwandeln will.

In der Physik hat diese Lochzahlregel die Konsequenz, dass die Topologie bestimmte physikalische Eigenschaften gegenüber Störungen enorm stabilisieren kann. Und das führt zur zweiten großen Herausforderung in der Quanteninformation und damit der Quantensimulation: allgegenwärtige Störungen lassen die hochempfindliche Quanteninformation schnell zerfallen.

„Diese sogenannte Dekohärenz ist das größte Problem der Quanteninformation“, sagt González-Tudela. Die Eigenschaften der Topologie brachten Wissenschaftler darauf, dass man die empfindlichen Quantenbits stabil in physikalische Systeme mit solchen topologischen Eigenschaften verpacken könnte.

Die Forscher haben sich nun einen Werkzeugkasten ausgedacht, mit dem man solche topologischen Konzepte in die Photonik übertragen kann. Einige Systeme wie ultrakalte Atome in Lichtgittern sind in ihrer Kontrollierbarkeit bereits sehr weit entwickelt. Sie bieten daher für die Quantensimulation viele Möglichkeiten. Einfach gesagt, besteht der Werkzeugkasten aus einem Satz von Quantenbits, zum Beispiel einzelne Atome, die in einer Linie angeordnet sind. Sie können mit einem konstruierten, ebenfalls linearen ‚Lichtbad‘ wechselwirken, das sich wie der gesuchte Wellenleiter verhält.

Dreht man nun an den verschiedenen Stellschrauben des Systems, dann können die Quantenbits wie gewünscht über diesen Wellenleiter ganz gezielt Photonen austauschen. Aber nicht nur das: Ein Qubit kann zum Beispiel Information in eine Richtung schicken, in der Gegenrichtung aber vollkommen dunkel bleiben. Solche Interaktionen sind in der Mikrowelt der Atome extrem schwer umsetzbar.

Damit bietet der Werkzeugkasten viele neue Möglichkeiten, Quantenbits miteinander kommunizieren zu lassen. Genau das benötigen zukünftige Quantensimulatoren. Das Konzept ist zudem universell: Es lässt sich auch in einigen Quantensystemen aus vielen Qubits realisieren, an denen derzeit geforscht wird. Die neue Arbeit könnte zu ganz neuen Ideen führen, die von der reinen Grundlagenforschung bis zur Quanteninformation reichen.

von mn

Originalveröffentlichung:

[M. Bello, G. Platero, J. I. Cirac, A. González-Tudela, Unconventional quantum optics in topological waveguide QED, Sci. Adv. 5 (2019), DOI: 10.1126/sciadv.aaw0297]

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