Von Qubits zu Qudits: Quantencomputer nutzen jetzt vier Zustände
Quantencomputer werden viel-dimensional: Forschende realisieren verschränkendes Gate mit vier Zuständen pro Photon.
Quantencomputer werden viel-dimensional: Forschende realisieren verschränkendes Gate mit vier Zuständen pro Photon.
Foto: Smarterpix / Funtap
Quantencomputer arbeiten bisher meist mit Qubits. Also mit Quantensystemen, die zwei Basiszustände haben. Null und Eins – allerdings in Überlagerung. Nun gehen Forschende einen Schritt weiter. Statt zwei Zuständen nutzen sie vier. Das klingt nach einem Detail. Tatsächlich verändert es die Architektur optischer Quantencomputer grundlegend.
Ein Team der TU Wien hat gemeinsam mit Forschungsgruppen aus China ein neuartiges Quanten-Gate entwickelt. Es arbeitet nicht mit klassischen Qubits, sondern mit sogenannten Qudits. Die Ergebnisse erschienen in Nature Photonics.
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Qudits statt Qubits
Das Prinzip eines Quantencomputers ist bekannt: Ein Qubit kann 0 und 1 gleichzeitig annehmen. Möglich macht das die Superposition – also die Überlagerung von Zuständen. Dadurch lassen sich bestimmte Rechenprobleme effizienter lösen als mit klassischen Bits.
Doch die Quantenphysik beschränkt sich nicht auf zwei Zustände. Ein Quantensystem kann grundsätzlich mehr als zwei unterscheidbare Basiszustände besitzen. Nutzt man diese gezielt, spricht man von Qudits. Ein Qudit mit vier Basiszuständen trägt mehr Information als ein Qubit. Pro Teilchen steigt die Informationsdichte.
Das bedeutet nicht automatisch, dass alles viermal schneller wird. Aber es verschiebt die Skalierungsfrage. Wenn mehr Information in einem einzelnen Quantensystem steckt, braucht man unter Umständen weniger physische Teilchen. Genau hier setzt die Arbeit aus Wien und China an.
Photonen in neuen Freiheitsgraden
Optische Quantencomputer arbeiten mit Photonen. Bisher konzentrierten sich viele Experimente auf die Polarisation. Diese liefert zwei klar unterscheidbare Zustände. Horizontal oder vertikal. Das passt gut zum Qubit.
Das Wiener Team ging einen anderen Weg. „Wir verwenden Photonen aber auf grundlegend andere Weise“, erklärt Nicolai Friis vom Atominstitut der TU Wien. „Wir interessieren uns nicht für die Polarisation, sondern für die Wellenform des Photons. Sie kann theoretisch unendlich viele verschiedene Zustände annehmen, die unterschiedlichen Drehimpuls-Werten entsprechen.“
Gemeint ist der sogenannte orbitale Drehimpuls des Lichts. Photonen können dabei komplexe Phasenstrukturen tragen. Diese Zustände sind experimentell zugänglich und prinzipiell hochdimensional. Für das erste Demonstrationsexperiment beschränkte man sich auf vier Zustände pro Photon.
Ein verschränkendes Gate in vier Dimensionen
Zwei Photonen, jeweils in einer Überlagerung von vier Zuständen. Das klingt abstrakt. Entscheidend ist jedoch die Operation zwischen ihnen. Quantenrechnen braucht verschränkende Gatter. Nur so entstehen nichttriviale Korrelationen zwischen den Teilchen.
Genau ein solches Gatter konnte das Team realisieren. „Es ist nun erstmals gelungen, ein logisches Quanten-Gatter herzustellen, das mit zwei Photonen arbeitet, die sich jeweils in einer Kombination von vier verschiedenen Zuständen befinden“, sagt Nicolai Friis.
Damit lassen sich die beiden Photonen gezielt verschränken. Oder wieder entkoppeln. Für Quantenalgorithmen ist das eine zentrale Fähigkeit.
Heralded: Man weiß, ob es funktioniert hat
Ein weiteres Detail ist für die Praxis wichtig. Das Protokoll ist „heraldiert“. Das heißt, man erhält ein klares Signal, ob die Operation erfolgreich war. „Wir können die beiden Photonen verschränken – und es handelt sich um ein heraldiertes Protokoll, das bedeutet, dass wir nach der Quantenoperation genau feststellen können, ob sie funktioniert hat oder nicht. Wenn nicht, kann man die Operation einfach wiederholen. Das ist genau, was man für Quantenoperationen in der Praxis braucht“, so Friis.
In optischen Plattformen sind viele Operationen probabilistisch. Sie funktionieren nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit. Ein heralded Ansatz erlaubt es, Fehlversuche zu erkennen, statt sie unbemerkt in den Rechenprozess einfließen zu lassen.
Mehr Information pro Teilchen
Auch aus informationstheoretischer Sicht ist der Ansatz interessant. „Wir brauchen weniger Teilchen, um dieselbe Menge an Quanteninformation zu speichern“, erklärt Prof. Marcus Huber vom Atominstitut der TU Wien. Weniger Teilchen bedeuten weniger Fehlerquellen. Das kann die Stabilität erhöhen.
Allerdings steigen mit der Dimensionalität auch die Anforderungen an Kontrolle und Auslese. Hochdimensionale Zustände sind empfindlich gegenüber Störungen. Die experimentelle Umsetzung erfordert hohe Präzision in Optik und Detektion. Genau hier trug das chinesische Team um Hui-Tian Wang entscheidend bei.
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