Optische Verdrahtung für grosse Quantencomputer

ETH-Forschende haben eine neue Technik zur Ausführung empfindlicher Quantenoperationen mit Atomen demonstriert. Dabei wird das Kontroll-Laserlicht direkt in einem Chip transportiert. So sollte es m?glich werden, gr?ssere Quantencomputer zu bauen, die mit eingefangenen Atomen arbeiten.

Quanten-Lichtleiter-Chip
Der Ionenfallen-Chip mit integrierten Wellenleitern. Das Laserlicht wird von den Glasfasern (rechts im Bild) in den Chip eingespeist. (Bild: K. Metha / ETH Zürich)

Es ist nicht einfach, mit einem Laserpointer w?hrend einer Pr?sentation einen bestimmten Punkt auf einer Leinwand zu treffen – schon das kleinste nerv?se Zittern in der Hand wird auf dem weit entfernten Schirm zu einer riesigen Krakelei. Nun stelle man sich vor, man müsste das mit mehreren Laserpointern gleichzeitig tun. Genau dasselbe Problem haben Physiker, die mit Hilfe von einzelnen gefangenen Atomen Quantencomputer bauen wollen. Auch sie müssen mit Laserstrahlen – hunderten oder gar tausenden in derselben Apparatur – über mehrere Meter so genau zielen, dass die nur wenige Mikrometer grossen Bereiche getroffen werden, in denen sich die Atome befinden. Jede ungewollte Vibration in der Apparatur st?rt den Betrieb des Quantencomputers empfindlich.

An der ETH Zürich haben nun Jonathan Home und seine Mitarbeiter am Institut für Quantenelektronik eine neue Methode demonstriert, mit der mehrere Laserstrahlen in einem Chip pr?zise zu den richtigen Stellen geleitet werden k?nnen, und das auf so stabile Weise, dass sich sogar empfindlichste Quantenoperationen mit den Atomen ausführen lassen.

Fernziel Quantencomputer

Quantencomputer zu bauen ist seit über dreissig Jahren ein ehrgeiziges Ziel von Physikern. In elektrischen Feldern gefangene Ionen, also elektrisch geladene Atome, haben sich dabei als ideale Kandidaten für die Quanten-Bits oder Qubits erwiesen, mit denen Quantencomputer rechnen. Bislang konnten auf diese Weise Mini-Computer mit etwa einem Dutzend Qubits realisiert werden. ?Will man allerdings Quantencomputer mit mehreren tausend Qubits bauen, wie man sie wahrscheinlich für praktisch relevante Anwendungen brauchen wird, so bestehen bei heutigen Systemen einige grosse Hürden?, sagt Karan Mehta, Postdoc in Homes Labor und Erstautor der jetzt im Fachjournal ?Nature? erschienenen Studie. Konkret geht es darum, wie man Laserstrahlen über mehrere Meter vom Laser in eine Vakuumapparatur und schliesslich punktgenau in einen Kryostaten leitet, in dem die Ionenfallen auf wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt werden, um thermische St?rungen zu minimieren.

Optischer Aufbau als Hindernis

?Die herk?mmliche Optik ist schon in den heutigen Systemen im kleinen Massstab eine bedeutende Rausch- und Fehlerquelle – und es wird immer schwieriger, das im Zaum zu halten, je gr?sser die Computer werden?, erkl?rt Mehta. Je mehr Qubits man hinzufügt, desto komplexer wird auch die Optik für die Laserstrahlen, die zur Steuerung der Qubits n?tig sind. ?Dort setzt unser Konzept an?, fügt Chi Zhang, Doktorand in Homes Arbeitsgruppe, hinzu: ?Indem wir winzige Wellenleiter in die Chips integrieren, auf denen sich die Elektroden zum Einfangen der Ionen befinden, k?nnen wir das Licht direkt zu den Ionen leiten. Vibrationen des Kryostaten oder anderer Bauteile verursachen daher wesentlich weniger St?rungen.?

Die Forscher liessen in einem kommerziellen Halbleiterwerk Chips herstellen, die sowohl Gold-Elektroden für die Ionenfallen als auch, in einer tieferen Schicht, Wellenleiter für Laserlicht enthalten. An einem Ende der Chips speisen Glasfasern das Licht in die nur 100 Nanometer grossen Wellenleiter ein, wodurch die Chips effektiv in ihrem Innern optisch verdrahtet werden. Jeder Wellenleiter führt zu einem bestimmten Punkt auf dem Chip, wo das Licht schliesslich zu den gefangenen Ionen an der Oberfl?che umgelenkt wird.

Vergr?sserte Ansicht: Schema Funktionsweise Lichtleiterchip
Eine Ionenfalle mit integrierten Wellenleitern. Das Laserlicht (rot) zur Kontrolle der beiden gefangenen Ionen (blau) wird im Chip zur Ionenfalle geleitet. (Visualisierung: Chiara Decaroli / ETH Zürich)    

In einer vor wenigen Jahren ver?ffentlichten Arbeit (von einigen der Autoren der jetzigen Studie, gemeinsam mit Forschenden des MIT und des dortigen Lincoln Laboratory) konnte bereits gezeigt werden, dass dieser Ansatz grunds?tzlich funktioniert. Nun hat die ETH-Gruppe die Technik weiterentwickelt und so weit verfeinert, dass man mit ihr auch fehlerarme Quanten-Logikgatter zwischen verschiedenen Atomen ausführen kann, eine wichtige Voraussetzung für den Bau von Quantencomputern.

Logikgatter mit hoher Wiedergabetreue

In einem herk?mmlichen Computerchip werden mit Logikgattern logische Operationen wie beispielsweise AND oder NOT ausgeführt. Will man einen Quantencomputer bauen, so muss dieser in der Lage sein, solche logischen Operationen an den Qubits auszuführen. Das Problem dabei: Quanten-Logikgatter, die auf zwei oder mehr Qubits wirken, sind ganz besonders empfindlich gegenüber St?rungen. Denn sie erschaffen fragile quantenmechanische Zust?nde, auch als Verschr?nkungszust?nde bekannt, bei denen sich zwei Ionen gleichzeitig in einer ?berlagerung befinden.

 

Vergr?sserte Ansicht: Schema Funktionsweise Lichtleiterchip
Querschnitt durch den neuen Chip der ETH-Forschenden. Die Gold-Elektroden dienen zum Einfangen der Ionen, das Laserlicht wird in einer optischen Schicht direkt zu den Ionen transportiert. (Visualisierung: Chiara Decaroli / ETH Zürich)

Bei einer solchen ?berlagerung beeinflusst eine Messung an einem der Ionen das Messergebnis am anderen Ion, ohne dass die beiden in direktem Kontakt stehen. Wie gut die Herstellung dieser ?berlagerungszust?nde funktioniert – wie gut also die Logikgatter sind –, drückt man anhand der so genannten Wiedergabetreue aus. ?Mit dem neuen Chip konnten wir Logikgatter mit zwei Qubits ausführen und mit ihnen Verschr?nkungszust?nde mit einer Wiedergabetreue herstellen, wie sie bisher nur in den allerbesten konventionellen Experimenten erreicht wurde?, sagt Maciej Malinowski, der als Doktorand ebenfalls am Experiment beteiligt war.

Damit haben die Forschenden gezeigt, dass ihr neuer Ansatz für künftige Ionenfallen-Quantenrechner interessant sein wird, da er nicht nur ?usserst stabil ist, sondern eben auch skalierbar. Derzeit untersuchen sie verschiedene Chips, mit denen bis zu zehn Qubits gleichzeitig kontrolliert werden sollen. Ausserdem arbeiten sie an neuen Designs für schnelle und pr?zise Quantenoperationen, die durch die optische Verdrahtung m?glich werden.

Literaturhinweis

Mehta KK, Zhang C, Malinowski M, Nguyen TL, Stadler M, Home JP: Integrated optical multi-ion quantum logic. Nature, 21. Oktober 2010, doi: externe Seite 10.1038/s41586-020-2823-6

JavaScript wurde auf Ihrem Browser deaktiviert