Leuchtendes Rubidiumatom in einem optischen Hohlraum. (Max-Planck-Institut für Quantenoptik) Eine neue Methode zur Verknüpfung des Schicksals von Lichtfragmenten hat einige ernsthafte Hindernisse auf dem Weg zur photonenbasierten Methode überwunden Quanten-Computing .
Forschern des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Deutschland ist es gelungen, 14 Photonen miteinander zu verschränken ein Zustand, der als optimal gilt für Qubits, was frühere Versuche mehr als verdoppelt – und gleichzeitig deren Effizienz verbessert.
Im Gegensatz zu den „Bits“ des Binärcodes hinter konventionelleren Formen der Computertechnologie, Qubits existieren in einem Wahrscheinlichkeitszustand, der Überlagerung genannt wird, und verhalten sich wie eine umgeworfene Münze, wenn sie durch die Luft fällt.
Algorithmen, die auf der Art und Weise basieren, wie Gruppen von Quantenmünzen fallen, können eine ziemlich komplexe Mathematik in kurzer Zeit bewältigen, aber nur, wenn ihre kollektive Drehung nicht unabsichtlich durch die Umgebung aus der Bahn geworfen wird.
Dies wird als Dekohärenz bezeichnet Unterbrechung der Überlagerung eines Teilchens ist eine große Hürde für Ingenieure, die nützliche Designs entwerfen Quantencomputer .
Theoretisch kann in einer Quantenüberlagerung von Zuständen so gut wie alles existieren, von Elektronen über Atome bis hin zu ganze Moleküle (oder größer). Aber um die Dekohärenz einzuschränken, sind kleinere und einfachere Objekte die Lösung.
Photonen bilden ideale Qubits. Leider praktisch Quantencomputer brauche viele Qubits. Tausende . Sogar Millionen. Je mehr desto besser. Sie müssen nicht nur alle gleichzeitig übereinander rotieren, sondern ihr Schicksal muss auch geteilt werden. Oder, um den Begriff der Physik zu verwenden: verwickelt.
Hier kommt die Herausforderung ins Spiel.
Es gibt relativ einfache Möglichkeiten dazu Photonenpaare verschränken . Wenn man ein Atom dazu zwingt, eine Lichtwelle auszusenden und diese dann mithilfe eines speziellen Bildschirms aufzuspalten, erhält man zwei Photonen mit einer gemeinsamen Geschichte.
Während sie mit ihren jeweiligen, noch zu messenden Eigenschaften im Flug bleiben, verhalten sie sich mehr oder weniger wie eine sich drehende Münze. Irgendwann wird einer Kopf und der andere Zahl zeigen.
Die Verschränkung von mehr als zwei Photonen wird zu einer größeren Herausforderung.
Experimente mit Objekten namens Quantenpunkte haben es geschafft, Ketten aus drei bis vier Photonen zu verschränken. Es ist nicht nur unwahrscheinlich, dass jemals die Hunderte und Tausende produziert werden, die für einen benötigt werden so viel wie ein Computer , der Zustand Verstrickung Die Verwendung dieses Ansatzes ist nicht so zuverlässig, wie Ingenieure es gerne hätten.
Neuere Studien mit Atomen mit großen Elektronenorbitalen, sogenannte Rydberg-Atome haben bis zu sechs verschränkte Photonen erzeugt, alle in einer effizient verschränkten Form. Obwohl die Methode superschnelle Rechenkomponenten ermöglichen könnte, ist sie auch keine einfach skalierbare Option.
Diese neueste Lösung könnte theoretisch eine beliebige Anzahl verschränkter Photonen erzeugen, alle im Idealzustand.
„Der Trick bei diesem Experiment bestand darin, dass wir ein einzelnes Atom verwendeten, um die Photonen auszusenden und sie auf eine ganz bestimmte Weise zu verweben.“ sagt Physikdoktorand und Hauptautor Philip Thomas.
Ein Rubidiumatom wurde dazu gebracht, Lichtwellen auszusenden, die in einen Hohlraum geleitet wurden, der so geformt war, dass er sie auf sehr präzise Weise hin und her reflektierte.
Durch die perfekte Feinabstimmung der Art und Weise, wie das Rubidium leuchtet, konnte jedes Photon mit dem Zustand des gesamten Atoms verschränkt werden – was bedeutet, dass jedes Photon, das im Hohlraum hin und her springt, auch mit einer beträchtlichen Anzahl seiner Geschwister verschränkt war.
„Da die Photonenkette aus einem einzelnen Atom hervorging, konnte sie auf deterministische Weise erzeugt werden.“ sagt Thomas.
In diesem Fall gelang es dem Team, 12 Photonen in einem weniger effizienten linearen Cluster und 14 im begehrten Cluster zu verschränken Greenberger–Horne–Zeilinger (GHZ) Zustand.
„Nach unserem besten Wissen sind die 14 miteinander verbundenen Lichtteilchen die größte Anzahl verschränkter Photonen, die bisher im Labor erzeugt wurden“, sagt Thomas.
Sie waren nicht nur in der Lage, so viele Photonen zu verschränken, auch die Effizienz dieser Methode verbesserte sich im Vergleich zu früheren Prozessen, da fast jedes zweite Photon sauber verschränkte Qubits lieferte.
Zukünftige Aufbauten müssen ein zweites Atom einführen, um die für viele Quantencomputeroperationen erforderlichen Qubits bereitzustellen. Die Verfügbarkeit verschränkter Photonen könnte die Grundlage für eine Technologie bilden, die über das Rechnen und Besetzen hinausgeht eine zentrale Rolle in der quantenverschlüsselten Kommunikation .
Diese Forschung wurde veröffentlicht in Natur .