Eine neue Art von Quantencomputing wird möglich, durch eine Zusammenarbeit der TU Wien mit Forschungsgruppen aus China: Mit einem neuartigen Quanten-Gate gelang es, logische Rechenoperationen mit Photonen durchzuführen, die sich in einer Kombination aus vier verschiedenen Zuständen befinden – ein wichtiger Meilenstein für optische Quantencomputer, der ganz neue Chancen eröffnet.
Qudits statt Qubits
Die Grundidee eines Quantencomputers ist einfach: Während ein klassischer Computer nur mit den Zuständen „0“ und „1“ arbeiten kann, erlaubt die Quantenphysik auch eine beliebige Kombination dieser Zustände. Ein Quantenbit („Qubit“) kann sich also gewissermaßen in den Zuständen 0 und 1 zugleich befinden. Dadurch werden Algorithmen möglich, die manche Aufgaben viel schneller lösen können als ein klassischer Computer.
Doch prinzipiell lassen sich solche Zustands-Überlagerungen auch aus mehr als zwei Komponenten herstellen. Ein Quantenteilchen kann sich nicht nur in zwei Zuständen, sondern in vielen Zuständen gleichzeitig befinden. In diesem Fall spricht man nicht mehr von einem Qubit, sondern von einem „Qudit“. Das bringt für Quanten-Berechnungen entscheidende Vorteile. Einem Forschungsteam der TU Wien gelang es, ein Schema für die Verarbeitung komplizierterer Quantenzustände zu entwickeln – und ein Team aus China schaffte es, dieses Schema experimentell umzusetzen. So entstand nun ein völlig neuartiges Quanten-Gate, mit revolutionären Einsatzmöglichkeiten.
Quantenphysik in vier Dimensionen
Bisher wurde bei Quantenexperimenten mit Photonen normalerweise die Polarisation der Photonen gemessen – eine Eigenschaft, die zwei verschiedene Messergebnisse liefern kann. Quantenphysikalisch gesehen kann sich das Photon aber auch in einer Kombination dieser beiden Zustände befinden, ähnlich wie man sich gleichzeitig nach Norden und nach Osten bewegen kann, wenn man in nordöstliche Richtung geht.
„Wir verwenden Photonen aber auf grundlegend andere Weise“, erklärt Nicolai Friis vom Atominstitut der TU Wien. „Wir interessieren uns nicht für die Polarisation, sondern für die Wellenform des Photons. Sie kann theoretisch unendlich viele verschiedene Zustände annehmen, die unterschiedlichen Drehimpuls-Werten entsprechen.“
Das Team um Nicolai Friis entwickelte ein Verfahren, das mit zwei solchen Photonen funktioniert: Beide können in Kombinationen vieler verschiedener Wellenformen vorliegen. Durch ausgeklügelte Manipulation kann man beide Photonen in einen gemeinsamen Zustand versetzen – einen sogenannten „verschränkten Quantenzustand“, oder man kann einen solchen verschränkten Zustand gezielt wieder in zwei voneinander unabhängige Zustände zerlegen.
Genau so eine Operation – ein verschränkendes Quanten-Gatter – braucht man in einem Quantencomputer, um Rechnungen durchzuführen. Für ein erstes Experiment entschied man sich, mit vier verschiedenen Zuständen zu arbeiten. „Das ist in etwa so, als hätte man neben der Nord-Süd und der Ost-West-Richtung zwei weitere Achsen zur Verfügung“, sagt Friis. „Man bewegt sich gewissermaßen in einem vierdimensionalen Raum, man kann mit beliebigen Kombinationen dieser vier Zustände arbeiten.“
Man erfährt, ob es geklappt hat
Um das zu ermöglichen, war nicht nur ein neues theoretisches Protokoll nötig, sondern auch die Verbesserung von Technik und experimenteller Präzision – das Team von Hui-Tian Wang in China konnte in diesem Bereich große Erfolge erzielen.
„Es ist nun erstmals gelungen, ein logisches Quanten-Gatter herzustellen, das mit zwei Photonen arbeitet, die sich jeweils in einer Kombination von vier verschiedenen Zuständen befinden“, sagt Nicolai Friis. „Wir können die beiden Photonen verschränken – und es handelt sich um ein heraldiertes Protokoll, das bedeutet, dass wir nach der Quantenoperation genau feststellen können, ob sie funktioniert hat oder nicht. Wenn nicht, kann man die Operation einfach wiederholen. Das ist genau, was man für Quantenoperationen in der Praxis braucht.“
Der neue Ansatz soll Quanteninformationstechnologie in vielen Bereichen besser, leistungsfähiger und stabiler machen. „Wir brauchen weniger Teilchen, um dieselbe Menge an Quanteninformation zu speichern“, erklärt Prof. Marcus Huber (ebenfalls vom Atominstitut der TU Wien). „Das hat große Vorteile, auch in Hinblick auf die Verlässlichkeit der Quantenoperationen.“ Die neue Arbeit erschließt der Quantentechnologie also – ganz buchstäblich – neue Dimensionen.
