Mo, 20. November 2017

Neues Konzept

25.10.2017 09:48

Innsbrucker erdenken Ein-Atom-Quantencomputer

Die Entwicklung eines praktikablen Quantencomputers gilt als eine der größten technischen Herausforderungen in der modernen Physik. Forscher der Universitäten Harvard und Innsbruck haben nun ein Konzept vorgestellt, das mit einem einzigen Atom auskommt. Der Trick dabei: Über einen Spiegel interagiert das Teilchen mit sich selbst.

Im Gegensatz zu klassischen Rechenmaschinen, deren kleinste Informationseinheiten (Bits) lediglich einen der beiden möglichen Zustände "null" oder "eins" einnehmen können, arbeiten Quantencomputer mit sogenannte Qubits. Diese quantenmechanischen Überlagerungen ermöglichen - vereinfacht ausgedrückt - die gleichzeitige Verarbeitung beider Zustände. Das könnte Quantencomputern einen enormen Vorteil verschaffen. Sie wären damit in der Lage, bestimmte Probleme zu lösen, die außerhalb der Reichweite herkömmlicher Rechner liegen.

Für den Bau eines leistungsfähigen Quantencomputers ist es nötig, eine Vielzahl dieser hochempfindlichen Informationseinheiten zu kontrollieren und sie gleichzeitig den Gesetzmäßigkeiten der Quantenmechanik folgend zu verknüpfen. Eine Möglichkeit zur Realisierung besteht darin, Lichtquanten (Photonen) als Qubits zu verwenden. Da Licht aber normalerweise nicht mit sich selbst interagiert, stellt ihre Verschränkung eine besondere Herausforderung dar.

Lichtverflechtung per Spiegel
Die amerikanisch-österreichische Forschergruppe hat nun eine neue Möglichkeit aufgezeigt, um diesem Problem beizukommen. Sie schlagen vor, ein einzelnes Atom vor einen Spiegel zu platzieren und es so mit sich selbst wechselwirken zu lassen. "Auf diese Weise kann ein Atom, das Licht aussendet, die emittierten Photonen miteinander verflechten und die gewünschten Quantenkorrelationen erzeugen", erklärt Studienautor Hannes Pichler, der bis vor Kurzem an der Universität Innsbruck forschte und derzeit an der Universität Harvard tätig ist.

Normalerweise sind einzelne Atome nicht in der Lage, Lichtteilchen zu erzeugen, die stark genug miteinander verschränkt sind, um sie für Berechnungen nutzbar zu machen. Über den Spiegel und aufgrund der Verzögerung durch die Lichtgeschwindigkeit interagiert das Atom aber sozusagen mit einer Version seiner selbst aus der Vergangenheit. Dadurch ergeben sich Verschränkungen zwischen den Photonen, die komplex genug sind, um damit theoretisch jede beliebige Quantenberechnung durchführen zu können.

Den Forschern zufolge ist das neue Konzept nicht bloß von theoretischer, sondern auch von praktischer Bedeutung, da die für eine Umsetzung nötige Technologie bereits existiert. Es könnte den experimentellen Aufwand für Quantenberechnungen deutlich verringern und damit die Entwicklung von Quantencomputern beschleunigen.

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