Forschung & Entwicklung

Rydbergionen ebnen den Weg zum Quantencomputer

Übergroße Ionen machen Rechnen auf Quantenbasis zuverlässiger und schneller. Bis zu 100 Millionen Rechenoperationen pro Kohärenzzeit ließen sich somit durchführen.

Ein internationales Forschungsteam hat einen neuen, vielversprechenden Weg zu einem zuverlässigen und praktisch nutzbaren Quantencomputer aufgezeigt. Die Wissenschaftler nutzten bei ihrem Experiment sogenannte Rydbergionen des Elements Strontium, die durch Laserpulse in hoch-angeregte elektronische Zustände versetzt wurden. Diese 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, sodass die gespeicherte Quanteninformation zerfällt. Die Nutzung von Rydbergionen 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 % rechnen können“, sagt Professor 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, liefen die Rechenoperationen anschließend langsamer und die Fehlerrate stieg. „Um Quanteninformationen zu übertragen, müssen die Ionen in Schwingungen versetzt werden“, erklärt 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 Rydbergionen zu lösen. Professor Lesanovsky begleitete das aktuelle Experiment gemeinsam mit Dr. Weibin Li von der Universität Nottingham durch theoretische Berechnungen und die Untersuchung möglicher Fehlerquellen. Herkömmliche Ionen zeichnen sich dadurch aus, dass die Elektronen im engen Abstand um den Atomkern kreisen. Bei Rydbergionen zirkuliert dagegen ein Elektron in einem weiten Abstand um den Kern. Ionen in Rydbergzuständen sind dadurch nicht nur größer als herkömmliche Atome oder Ionen, sie zeichnen sich auch durch besondere physikalische Eigenschaften aus.

„Rydbergionen bilden gewissermaßen kleine Antennen und erlauben dadurch, besonders schnelle Quantengatter zu realisieren, die die Grundbausteine eines Quantencomputers darstellen“, erklärt Professor Markus Hennrich von der Universität Stockholm. Da die Wechselwirkung zwischen Rydbergionen nicht auf Kristallschwingungen, sondern auf dem Austausch von Photonen basiert, erwarten die Forscher, dass ein Quantenrechner auf Basis von Rydbergionen 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 so genannte Kohärenzzeit. Der Begriff bezeichnet den Zeitraum, über den 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. 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 Rydbergionen habe damit vor allem das Potenzial, deutlich zuverlässiger zu arbeiten als andere Quantensysteme. Fachleute gehen jedoch davon aus, dass bis zur Schaffung eines alltagstauglichen Quantencomputers noch mindestens zehn Jahre Forschung und Entwicklung notwendig sind.

von mn

Originalveröffentlichung:

[C. Zhang, F. Pokorny, W. Li, G. Higgins, A. Pöschl, I. Lesanovsky, M. Hennrich, Sub-microsecond entangling gate between trapped ions via Rydberg interaction. Nature 580 (2020), DOI 10.1038/s41586-020-2152-9]

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