In einem bemerkenswerten Fortschritt für das Quantencomputing haben Forscher in Peking erfolgreich zwei verschiedene Arten von Qubits mit einem einzigen Lasersystem verschränkt. Dieser Durchbruch könnte eine transformative Ära im Quantencomputing einleiten, die es Maschinen ermöglicht, Aufgaben zu erledigen, die über die Fähigkeiten aktueller Computer hinausgehen.
Die Ergebnisse wurden in dem Artikel "Experimentelle Realisierung direkter Verschränkungs-Gates zwischen Dual-Typ Qubits" in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht. Der Hauptautor Luming Duan erklärte: "Diese Methode reduziert die Kosten und die Komplexität von Quantenkreisen, indem sie unnötige Umwandlungen zwischen verschiedenen Typen von Qubits eliminiert."
Qubits, die grundlegenden Informationseinheiten im Quantencomputing, können aufgrund der Superposition gleichzeitig in mehreren Zuständen existieren. Allerdings sind nicht alle Qubits gleich. Dual-Typ Qubits kombinieren zwei verschiedene Quanten-Zustände innerhalb eines einzigen Systems, was ihre Vielseitigkeit erhöht und Interferenzen verringert.
Traditionell nutzen Quantencomputersysteme verschiedene Ionenspezies, um das Rauschen zwischen Qubits zu minimieren, was die gesamte Struktur kompliziert. Im Gegensatz dazu sind Dual-Typ Qubits innerhalb eines einzelnen Ions kodiert, wie die hyperfeinen Energieniveaus des Ba-137-Ions, was Operationen mit weniger zusätzlicher Hardware und, entscheidend, weniger Fehlern ermöglicht.
Den Forschern zufolge "kann unsere Technik die Hardwarekosten reduzieren, indem wir ein einziges 532-nm-Lasersystem verwenden, um beide Qubit-Typen durch Raman-Übergänge zu verschränken." Das Experiment wurde mit Ba-137-Ionen in einer Falle durchgeführt, die nahe ihrem Grundzustand mit Techniken wie Doppler-Kühlung gekühlt wurden. Die Qubits wurden in zwei verschiedenen Energieniveaus kodiert: den hyperfeinen Zuständen S1/2 und D5/2.
Um die Verschränkung zu erreichen, entwickelte das Team ein Lasersystem mit mehreren Frequenzkomponenten, das beide Qubit-Typen gleichzeitig anregen konnte. Dieser Prozess, kombiniert mit kollektiven Oszillationen der Ionen, fungierte als "quanten Brücke", die die Verschränkung erzeugte. Der resultierende Bell-Zustand erreichte eine Fidelity von 96,3 %, vergleichbar mit traditionellen Methoden für Qubits desselben Typs.
Diese Methode ist revolutionär, da sie die Notwendigkeit beseitigt, Qubits zwischen verschiedenen Typen vor der Verschränkung zu konvertieren – ein zuvor gängiger, aber ineffizienter Prozess. Das Team bestätigte: "Wir haben Verschränkungs-Gates sowohl für Dual-Typ- als auch für gleichartige Qubits mit ähnlicher Leistung erreicht, was zeigt, dass es keine grundlegenden Einschränkungen für die Anwendung dieser Methode in praktischen Quanten-Schaltkreisen gibt."
Die potenzielle Auswirkung dieser Technik ist erheblich. Aktuelle Quantensysteme stehen vor erheblichen Herausforderungen im Zusammenhang mit Fehlern und Hardwarekomplexität. Die Reduzierung dieser Faktoren verbessert nicht nur die Leistung, sondern erweitert auch die Anwendungen der Technologie, von Quanten-Netzwerken bis hin zur Fehlerkorrektur.
In Quanten-Netzwerken, in denen es erforderlich ist, Knoten über große Entfernungen zu verschränken, könnte diese Methode den Prozess vereinfachen, indem sie das Rauschen zwischen den Qubits minimiert. Bei Aufgaben der Fehlerkorrektur können Verschränkungs-Gates für Dual-Typ-Qubits die Schaltkreis-Tiefe reduzieren und das Design vereinfachen.
Luming Duan bemerkte: "In Zukunft planen wir, diese Technik zur quantenmechanischen Erkennung von Zwischenzuständen in Fehlerkorrektur-Schaltkreisen anzuwenden und Knoten von Quanten-Netzwerken auf der Basis von gefangenen Ionen zu bauen." Trotz der vielversprechenden Ergebnisse gibt es noch Raum für Verbesserungen. Die größte Herausforderung besteht darin, die Stabilität des Lasersystems und die Frequenz der Ionenfalle zu erhöhen. Im Artikel wird darauf hingewiesen, dass die aktuelle Leistung durch die Dekohärenzzeiten des Lasers (2,6 ms) und die Bewegungen der Ionen (4,1 ms) begrenzt ist.
Die Forscher planen, die optischen Wege zu optimieren und fortschrittlichere Stabilisierungstechniken anzuwenden. Dies wird die Fidelity der Verschränkungs-Gates erhöhen und deren Anwendbarkeit in größeren Systemen erweitern. Darüber hinaus kann die Technik ohne wesentliche Modifikationen in bestehende Quantencomputing-Architekturen integriert werden, was sie zu einer praktischen Option für die Skalierung der Quanten-Technologie macht.