Ein Shuttle zu Quantumcomputern

In Experimenten mit Ionenfallen wurden bereits sämtliche Basiskomponenten implementiert, die im Prinzip für einen Quantencomputer benötigt werden. Eine enorme Herausforderung jedoch ist es, den Ansatz hochzuskalieren. In einem praktikablen Quantencomputer müssen nämlich eine grosse Anzahl von Logikgatter-Operationen parallel und mit grosser Präzision in einem Fallen-Array durchgeführt werden. Forscher an der ETH Zürich haben nun einen Ansatz gefunden, wie dies erreicht werden könnte, wie sie in zwei Publikationen berichten.

In einem Artikel in der Fachzeitschrift Physical Review Letters beschreibt die Gruppe von Jonathan Home (Institut für Quantenelektronik) einen skalierbaren Ansatz für die parallele Durchführung von Gatteroperationen in einem Fallen-Array mit mehreren Zonen. Die Forscher haben eine Alternative zu den schwer zu skalieren Standardverfahren gefunden, welche gepulste optische Felder verwenden. Stattdessen schickten die ETH-Physiker Ionen durch Laserstrahlen. Zudem wurden in den jetzt vorgestellten Experimenten die Gatter durch skalierbare Mikroelektronik gesteuert, die auch benötigt wird, um durch Ionentransport Quantenkommunikation innerhalb des Arrays zu ermöglichen. Das neue Verfahren sollte daher helfen, den Pfad zum Hochskalieren von Ionenfallen-Quantencomputer zu vereinfachen.

Damit die Gatteroperationen zuverlässig sind, müssen die Wechselwirkungen zwischen dem Lichtfeld des Lasers und den sich in Transit befindlichen Ionen genau bekannt sein, was nicht immer der Fall ist. Dieses Problem stand im Mittelpunkt einer separaten Studie, deren Ergebnisse gerade in Nature Communications erschienenen sind. Das Team hat eine allgemeine Methode gefunden, um den zeitabhängigen Hamilton-Operator, der auf das Ion wirkt, abzuschätzen. Dies ist etwas, was bislang nicht möglich war. Der neuartige Ansatz basiert darauf, zwei zusätzliche, gut kontrollierte Parameter einzuführen, nämlich durch das plötzliche Abschalten des Laserfelds zu bestimmten Zeitpunkten und durch die Wahl von leicht unterschiedlichen Laserfrequenzen. Durch Variation dieser zusätzlichen Parameter konnten die Physiker das Verhalten der Ionen erfassen. Darüber hinaus haben sie eine effiziente Möglichkeit gefunden, die Messergebnisse mit berechneten Werten zu vergleichen. Als Ergebnis konnten sie die unbekannten Parameter ableiten, die den Shuttle-Prozess geschrieben, und somit mit grosser Genauigkeit die Dynamik der Ionen beschreiben, wenn sie durch den Laserstrahl geschickt werden.

Diese Ergebnisse werden es der Gruppe ermöglichen, die Kontrolle über die Ionen weiter zu verbessern, und somit Fehler und Störungen in zukünftigen Quantenberechnungen zu vermeiden. Dies ist vor allem für Berechnungen wichtig, in denen viele Ionen involviert sind. Auch können die neuen Techniken zur Abschätzung von Hamilton-Operatoren auf eine breite Klasse von anderen Systemen und Problemen angewandt werden, wo präzise Quantenkontrolle unerlässlich ist.