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Bauteil für Quantencomputer : Zwei Lichtquanten üben das Rechnen

Beide Eingriffe zeigten Erfolg: Obwohl beide Lichtteilchen sich auf ihrem Weg durch die Apparatur niemals gleichzeitig am gleichen Ort befanden, spürte nun auch das erste Photon den Zustand des zweiten Photons. Der Grund: Die ursprünglich unabhängigen Lichtteilchen waren in Folge des anfänglichen Wechselspiels mit dem Rubidiumatom gewissermaßen zu einem einheitlichen Quantensystem verschmolzen, schreiben die Wissenschaftler aus Garching in der Online-Ausgabe der Zeitschrift „Nature“.

Die stärkste Wechselbeziehung erzielten die Forscher mit zwischen zwei linear polarisierten Lichtteilchen, also mit Photonen, deren elektrisches Feld in einer Ebene oszillierte. Wurde die Schwingungsrichtung eines Photons ermittelt, lag augenblicklich auch der Polarisationszustand des Partners fest - ein verschränktes Verhalten, das nur die Quantenphysik ermöglicht.

„Wir haben mit unserem Experiment nicht nur eine starke Photon-Photon-Wechselwirkung verwirklichen können, sondern auch ein Quanten-Logik-Gatter gebaut, wie man es etwa für einen Quantencomputer benötigt“, sagt Stephan Ritter. Klassische Logikgatter - sie sind elementare Bausteine der Datenverarbeitung mit Computern - verknüpfen binäre „Einsen“ und „Nullen“ und führen mit ihnen logische Operationen aus, die Additionen, Subtraktionen oder Multiplikationen ermöglichen. Üblicherweise baut man Gatter aus Halbleiter-Transistoren, die elektrische Signale auf bestimmte Weise schalten.

Nicht nur „1“ und „0“

„Unser Gatter verknüpft Quantenbits, die in den Polarisationszuständen von Lichtteilchen kodiert sind“, erklärt Ritter. Qubits, wie die quantenmechanischen Pendants zu den klassischen Bits auch genannt werden, können außer der binären „1“ und „0“ noch alle möglichen Zwischenzustände annehmen, und das simultan.

Darauf beruht unter anderem die Überlegenheit des Quantencomputers gegenüber herkömmlichen Rechnern, etwa wenn es darum geht, große Datenbanken rasch zu durchforsten oder als bislang sicher geltende Codes zu entschlüsseln. Ein Quantengatter, das von Ritter und seinen Kollegen mit ihrer Versuchsanordnung verwirklicht wurde, führt eine Nicht-Operation aus. Der Zustand eines Lichtquants wird dabei invertiert: Schwingt beispielsweise das zweite Photon vor der Wechselwirkung mit dem Rubidumatom vertikal (Zustand „1“), so nimmt es danach horizontale Polarisation (Zustand „0“) an.

Ob die Operation auch tatsächlich erfolgt, hängt vom ersten Photon ab, und ob dessen Schwingungszustand im logischen Zustand „1“ ist. Ist er „0“, passiert nichts. Die Forscher sprechen deshalb von einer logischen kontrollierten Nicht-Verknüpfung (kurz CNOT). Ein entsprechendes CNOT-Gatter ist ein Schlüsselbaustein für einen Quantencomputer, da sich durch geschickte Kombination mit individuellen Polarisationsdrehungen an den einzelnen Photonen damit alle anderen bekannten logischen Gatter verwirklichen lassen.

Schritt für Schritt zum Quantenrechner

Hier sehen die Forscher um Ritter ein großes Potential für ihr Quantengatter. Da die Lichtteilchen bei der Verarbeitung nicht verloren gehen, kann man sie weiteren CNOT-Gattern zuführen. Dadurch ließe sich schrittweise eine zentrale Recheneinheit (CPU) für einen optischen Quantencomputer aufbauen, der mit Lichtteilchen rechnet. Hinzu kommt der Vorteil, dass das Quantengatter zwei ankommende polarisierte Lichtteilchen quantenmechanisch verschränken und so in einem stark verbundenen Zustand überführen kann. Dadurch lassen sich im Vergleich zu einem klassischen Gatter auf Halbleiterbasis viele Rechenoperationen quasi-parallel durchführen.

Allerdings arbeitet das Quantengatter derzeit noch nicht so zuverlässig, dass es auch für den Bau eines optischen Quantencomputers tauglich wäre. Die erzielte Rechengenauigkeit betrug im Schnitt 75 Prozent. Aufgrund technischer Mängel wird auch nicht jedes einlaufende Lichtteilchen am Resonator reflektiert, so dass die Zahl der Photonen, die das Gatter verlassen, geringer ausfällt. Verluste treten auch unterwegs etwa in der Glasfaser auf. Mit verbesserten Spiegeln am Resonator und einem effizienteren Speicher für Lichtteilchen als eine Glasfaser will man die bestehenden technischen Unzulänglichkeiten in den Griff bekommen.

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