Licht soll Quantenrechner antreiben – Quantenlogik mit Photonen

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Zwei Experimente demonstrieren, wie zuverlässig das Quantengatter ist

Wie zuverlässig ihr Quantengatter bereits funktioniert, demonstrieren die Garchinger Forscher mit zwei Experimenten. Welche Operationen das Quantengatter dabei ausführt, hängt ausschließlich davon ab, wie die beiden Eingabephotonen polarisiert sind.

Bei einem Versuch polarisieren die Forscher das erste Photon zirkular, sodass sich seine Schwingungsrichtung mit oder gegen den Uhrzeigersinn dreht. Das zweite Photon polarisieren sie linear, also so, dass es in einer horizontalen oder vertikalen Ebene schwingt.

Auf ein Photonenpaar mit diesen Eingabezuständen wirkt das Quantengatterwie eine CNOT-Operation, bei der das erste Qubit das zweite kontrolliert. Denn je nachdem in welche Richtung sich das erste Photon dreht, kippt das Quantengatter die Polarisation des zweiten Photons – etwa von der vertikalen in die horizontale Ebene – oder nicht. CNOT-Gatter sind für einen Quantencomputer essentiell, weil sich mit ihnen alle logischen Schritte ausführen lassen.

Für das zweite Experiment polarisieren die Garchinger Forscher beide Photonen linear. Mit solchen Eingabezuständen gefüttert, verschränkt das Quantengatter die beiden Photonen.

Verschränkte Photonen können nicht mehr unabhängig voneinander, sondern nur noch mit einem gemeinsamen Zustand beschrieben werden – egal, wie weit die beiden Lichtteilchen voneinander entfernt sind. So sehr die Verschränkung unsere Vorstellungskraft auf die Probe stellt, für den Quantencomputer ist sie wie das CNOT-Gatter eine unerlässliche Zutat.

"Nur durch die Verschränkung von Qubits kommt die Stärke des Quantencomputers zum Tragen", sagt Stephan Welte, der im Rahmen seiner Doktorarbeit ebenfalls maßgeblich an den Versuchen mitwirkte.

Das Atom im Resonator als zentrales Element eines Quantencomputers

"Mit dem Quantengatter haben wir nun ein zentrales Element für einen optischen Quantencomputer", sagt Gerhard Rempe, Direktor am Garchinger Max-Planck-Institut. Bis solch ein Quantencomputer manche Rechenaufgaben in einem Tempo erledigen wird, das jeden klassischen Computer deklassiert, wird es jedoch noch eine Weile dauern. Nicht zuletzt, weil das Quantengatter dafür noch zuverlässiger rechnen muss.

Immerhin hat Gerhard Rempe schon konkrete Ideen, wie sich ein solcher Superrechner mit einem Atom im Resonator betreiben ließe. Dafür wären nämlich nicht viele dieser Systeme nötig, von denen jedes gut und gerne ein Labor füllt. "Die logischen Operationen ließen sich nacheinander mit einem Atom in einem Resonator vornehmen", sagt Gerhard Rempe.

Darauf, dass solche Konzepte der Quantentechnologie eine Perspektive haben, setzt offenbar auch die Europäische Kommission. Denn sie plant, über etwa zehn Jahre eine Milliarde Euro in ihre Entwicklung zu stecken. Diese Mittel könnten auch den Weg des superschnellen Quantenrechners in die Praxis beschleunigen – das hoffen auch die Garchinger Physiker um Stephan Ritter.

Originalveröffentlichung auf www.mpg.de; 6. Juli 2016

Photonische Computer

Lichtsignale mit einzelnen Photonen kontrollieren

* Peter Hergersberg schreibt in der Online-Redaktion der Max-Planck-Gesellschaft über die Themen Chemie, Physik und Technik.

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