Ist es möglich, eine hochpräzise Uhr, einen Rechenprozessor und einen Simulator physikalischer Prozesse in einem einzigen Quantenteilchen zu vereinen? Physiker des JILA-Labors in Boulder haben dies gemeinsam mit Kollegen der Universität Innsbruck unter Beweis gestellt. Sie entwickelten ein Quanten-„Multitool“ auf Basis von Ytterbium-171-Atomen, welche ihre funktionale Rolle auf Laserbefehl hin wechseln können.
Bislang verlief die Entwicklung verschiedener Quantentechnologien weitgehend parallel. Während ein Teil der Forscher Qubits für Berechnungen entwickelte, konzentrierten sich andere auf die Modellierung komplexer Systeme oder die Konstruktion optischer Uhren. Das Problem dabei war, dass die unterschiedlichen Aufgaben jeweils grundlegend verschiedene physikalische Eigenschaften erfordern.
Das Team um Adam Kaufman fand hierfür eine ebenso einfache wie elegante Lösung. Sie griffen auf drei Paare von Energiezuständen des Ytterbiums zurück, die einen gemeinsamen „Ankerzustand“ teilen. Durch die Bestrahlung der Atome mit Laserpulsen spezifischer Frequenzen konnten die Forscher die Quantensuperposition ohne Datenverlust sofort von einem Modus in den nächsten überführen.
Ein einziges Atom übernimmt fortan drei grundlegende Funktionen:
- Kern-Qubit: Es nutzt den Kernspin, der gegen äußere Störungen nahezu immun ist und Informationen daher sicher speichert.
- Rydberg-Qubit: Durch starke Anregung eines Elektrons ermöglicht es den Atomen, für Rechenvorgänge schnell miteinander zu interagieren.
- Optisches Qubit: Es nutzt die für Atomuhren typischen Energieniveaus, was für Messungen höchster Präzision entscheidend ist.
Die Wissenschaftler konnten in ihren Experimenten den gesamten Arbeitszyklus erfolgreich nachweisen. Es gelang ihnen, bis zu 20 Atome in einen verschränkten Zustand zu versetzen und Zwei-Qubit-Operationen mit einer Präzision von 99,78 % durchzuführen. Traten beim Umschalten Fehler auf, wurden diese durch eine optische Kontrolle erkannt und die entsprechenden Durchläufe aussortiert.
Künftig erlaubt diese Flexibilität, die Trennung zwischen Quantencomputing und Präzisionsmetrologie aufzuheben. Ingenieure müssen sich dann nicht mehr zwischen Systemstabilität und Rechengeschwindigkeit entscheiden. Die Vereinigung dreier Modi auf einer Plattform könnte den Weg zu praktischen Quantencomputern ebnen, die komplexe Aufgaben ohne den Austausch massiver Hardwarekomponenten lösen.
