Lichtaustausch

Ein Quantengatter zwischen Atomen und Photonen kann beim Scale-upvon Quantencomputern helfen

Die Quantencomputer der Zukunft werden in der Lage sein, Berechnungen durchzuführen, die auf den heutigen Computern unmöglich sind. Dies schließt möglicherweise die Fähigkeit ein, die derzeit für sichere elektronische Transaktionen verwendete Verschlüsselung zu knacken, sowie Mittel zur effizienten Lösung komplexer Probleme, bei denen die Zahl der möglichen Lösungen exponentiell zunimmt. Die Forschung im Quantenoptiklabor von Prof. Barak Dayan am Weizmann Institute of Science könnte die Entwicklung solcher Computer ein Stück näherbringen, denn sie liefert die „Quantengatter“, die für die Kommunikation innerhalb und zwischen solchen Quantencomputern nötig sind.

Im Gegensatz zu den heutigen elektronischen Bits, die nur in einem von zwei Zuständen – Null oder Eins – existieren können, können Quantenbits, sogenannte Qubits, auch Zustände annehmen, die sowohl Null als auch Eins gleichzeitig entsprechen. Das nennt man Quantensuperposition, und sie verleiht Qubits einen Vorteil, da ein darauf basierender Computer zahlreiche Berechnungen parallel durchführen könnte. 

 Es gibt nur einen Haken: Der Zustand der Quantensuperposition kann nur so lange bestehen, wie er nicht von außen beobachtet oder gemessen wird, sonst zerfallen alle möglichen Zustände in einen einzigen. Dies führt zu widersprüchlichen Anforderungen: Damit die Qubits in mehreren Zuständen gleichzeitig existieren können, müssen sie gut isoliert sein, aber gleichzeitig müssen sie mit vielen anderen Qubits interagieren und kommunizieren. Das ist der Grund, warum zwar bereits mehrere Labore und Unternehmen auf der ganzen Welt kleine Quantencomputer mit einigen Dutzend Qubits präsentiert haben, die Herausforderung, diese auf den angestrebten Umfang von Millionen Qubits zu skalieren, aber nach wie vor eine große wissenschaftliche und technologische Hürde darstellt.

Eine vielversprechende Lösung ist der Einsatz von isolierten Modulen mit einer kleinen, überschaubaren Anzahl von Qubits, die bei Bedarf über optische Verbindungen miteinander kommunizieren können. Die in einem materiellen Qubit (z.B. einem einzelnen Atom oder Ion) gespeicherten Informationen würden dann in ein „fliegendes Qubit“ – ein einzelnes Lichtteilchen, einemPhoton – übertragen. Dieses Photon kann durch optische Fasern zu einem entfernten materiellen Qubit geschickt werden und seine Informationen übertragen, ohne dass die Umgebung die Beschaffenheit dieser Informationen wahrnimmt. Die Herausforderung bei der Entwicklung eines solchen Systems besteht darin, dass einzelne Photonen äußerst geringe Energiemengen transportieren und die winzigen Systeme aus materiellen Qubits in der Regel nicht sehr stark mit solch schwachem Licht interagieren.   

Dayans Quantenoptiklabor am Weizmann Institute of Science ist eine der wenigen Forschungsgruppen weltweit, die sich ganz auf diese wissenschaftliche Herausforderung fokussiert. Ihr Versuchsaufbau besteht aus einzelnen Atomen, die mit einzigartigen Siliziumdioxid-Resonatoren auf Chips gekoppelt sind; und Photonen werden über spezielle optische Fasern direkt an diese weitergeleitet. In früheren Experimenten hatten Dayan und seine Forschungsgruppe die Fähigkeit ihres Systems nachgewiesen, als Ein-Photonen-aktivierter Schalter zu agieren, und außerdem eine Möglichkeit gezeigt, ein einzelnes Photon aus einem Lichtblitz zu „pflücken“. In der vorliegenden Studie, die in Nature Physics veröffentlicht wurde, ist es Dayan und seinem Team erstmals gelungen, ein Logikgatter zu erschaffen, in dem ein Photon und ein Atom automatisch die Informationen austauschen, die sie tragen.

„Das Photon trägt ein Qubit, und das Atom ist ein zweites Qubit“, sagt Dayan. „Jedes Mal, wenn sich das Photon und das Atom treffen, tauschen sie automatisch und gleichzeitig die Qubits zwischen sich aus, und das Photon setzt seinen Weg mit dem neuen Bit an Informationen fort. In der Quantenmechanik, in der Informationen nicht kopiert oder gelöscht werden können, ist dieses Austauschen von Informationen tatsächlich die Grundlage des Lesens und Schreibens – das ‚natürliche‘ Gatter der Quantenkommunikation“.

Diese Art von Logikgatter – ein SWAP-Gatter – kann zum Austausch von Qubits innerhalb und zwischen Quantencomputern verwendet werden. Da dieses Gatter keine externen Steuerfelder oder Managementsysteme benötigt, kann es den Aufbau des Quantenäquivalents von VLSI-(Very Large-Scale Integration)-Netzwerken ermöglichen. „Das von uns nachgewiesene SWAP-Gatter eignet sich für die Photonen-Kommunikation zwischen allen Arten von Materie-basierten Qubits – nicht nur zwischen Atomen“, sagt Dayan. „Wir glauben daher, dass es ein wesentlicher Baustein in der nächsten Generation von Quantencomputersystemen werden wird.“ 

Die Forschung von Prof. Barak Dayan wird durch das Crown Photonics Center und die Edmond de Rothschild Foundation unterstützt.