Dem Quantencomputer einen Schritt näher
Bei herkömmlichen Computern werden Daten als Bits dargestellt, die stets in einem von zwei Zuständen vorliegen: 0 und 1. Ein Quantenbit, auch Qubit genannt, kann in beiden dieser Zustände gleichzeitig existieren – dies nennt man Superposition. Diese seltsame Tatsache ermöglicht, parallel mehrere Rechnungen durchzuführen. Es erwies sich als große Herausforderung, eine "Kommunikation" zwischen den Qubits herzustellen und somit ein Logikgatter zu schaffen. Dank des repetitiven Musters von optischen Gittern und der langen Kohärenzzeiten neutraler Atome, die in solchen Systemen angeordnet sind, könnten bald jedoch Zwei-Qubit-Gatter auf vielen Atompaaren gleichzeitig umgesetzt werden. Die Wissenschaftler des EU-finanzierten Projekts NODOS (Non-adiabatic quantum dynamics in novel optical superlattices) entwickelten eine Technik, um ein Zwei-Qubit-Gatter auf einem ausgewählten Atompaar umzusetzen. Für die vorgeschlagene Lösung kommen Supergitter zum Einsatz. Optische Gitter für ultrakalte Atome werden durch sich überlagernde, gegenläufige Laserstrahlen erreicht. Die NODOS-Forscher entwickelten eine optische Supergitter-Struktur, die aus zwei optischen Gittern von ähnlicher Periodizität bestehen, um Rubidiumatome (Rb) zu fangen. Mit dieser Anordnung aus ultrakalten Rb-Atomen könnte, durch Nutzung des Spin-Austauschwechselwirkung, ein Zwei-Qubit-Gatter auf einem ausgewählten Paar von benachbarten Atomen realisiert werden. Um ein solches Gatter zu erreichen, mussten zwei Atome an derselben Stelle eines Gitters so miteinander verbunden werden, dass sich ihre Wellenfunktionen überlagern. Konkret schlagen die Forscher vor, die Paare von interagierenden Atomen durch Steuerung der relativen Frequenz und Intensität des optischen Supergitters zu einer einzelnen Position im Gitter zu verbinden. Ein solches Zwei-Qubit-Gatter könnte Qubits in weniger als einer Millisekunde mit einer Fehlerwahrscheinlichkeit von unter 30 % austauschen. Des Weiteren umfasst die Architektur des optischen Supergitters eine Hyperfeinstruktur für Positionswechsel, die mehrere Größenordnungen kleiner als die Laserwellenlänge ist, was auch die Umsetzung von Einzel-Qubit-Gattern ermöglicht. Die Ergebnisse des NODOS-Projekts wurden in einer Publikation näher ausgeführt, die in der renommierten Fachzeitschrift "Physical Review A" veröffentlicht wurde. Da nun die grundlegenden Bausteine des Quantencomputers ermittelt und ein experimenteller Apparat hergestellt wurde, können sich die Forscher nun auf den Bau eines funktionierenden Quantencomputers konzentrieren.
Schlüsselbegriffe
Quantencomputer, Qubit, Logikgatter, optische Gitter, ultrakalte Atome, Spin-Austausch
