34 SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · Juni 2009
Quantencomputer
Quanten-
computer
mit Ionen
Von Christopher R. Monroe
und David J. Wineland
I
n den letzten Jahrzehnten haben sich
Rechentempo und Zuverlässigkeit von
Computern drastisch erhöht. Moderne
Chips packen fast eine Milliarde Transistoren
auf eine zentimetergroße Siliziumscheibe,
und künftig werden Computerelemente
noch weiter schrumpfen, bis hinunter
zur Größe einzelner Moleküle. Solche Rechner
dürften höchst ungewohnt anmuten,
denn sie werden nach quantenmechanischen
Regeln arbeiten – gemäß den physikalischen
Gesetzen, die das Verhalten von Atomen und
Elementarteilchen erklären. Daran knüpft
sich die große Erwartung, dass Quantencomputer
bestimmte wichtige Aufgaben wesentlich
schneller auszuführen vermögen als herkömmliche
Rechner.
Die wohl bekannteste dieser Aufgaben ist
das Faktorisieren einer großen Zahl, die das
Produkt zweier Primzahlen ist. Zwei Primzahlen
zu multiplizieren fällt Computern
leicht, selbst wenn die Zahlen hunderte Ziffern
lang sind, aber der umgekehrte Prozess –
das Herleiten der Primfaktoren – ist so
schwierig, dass er die Grundlage fast aller heute
gebräuchlichen Verschlüsselungstechniken
bildet, vom Onlinebanking bis zur Übertragung
von Staatsgeheimnissen. Im Jahr 1994
zeigte Peter Shor an den Bell Laboratories in
Murray Hill (New Jersey), dass ein Quantencomputer
diese Kodes theoretisch leicht knacken
könnte, weil das Tempo, in dem er Zahlen
zu faktorisieren vermag, exponentiell höher
ist als das jedes bekannten klassischen
Algorithmus. Und 1997 zeigte Lov K. Grover,
damals ebenfalls an den Bell Labs, dass ein
solches Gerät das Durchsuchen einer unsortierten
Datenmenge erheblich beschleunigen
würde – beispielsweise das Auffinden einer
Person in einem Telefonbuch, von der man
nur die Telefonnummer kennt.
Doch einen Quantencomputer tatsächlich
zu bauen wird gar nicht leicht sein. Seine
Hard­ware – die Atome, Photonen oder künstlichen
Mikrostrukturen, welche die Daten als
Forscher experimentieren bereits mit Geräten, in denen einzelne
Atome Daten speichern und manipulieren. Am Ende dieser
Entwick­lung könnten ungeahnt leistungsfähige Computer stehen.
In Kürze
r Quantencomputer werden
Daten mittels Atomen,
Photonen oder künstlichen
Mikrostrukturen
speichern und verarbeiten,
erwarten Forscher.
Eines Tages sollen diese
Maschinen geradezu unglaubliche
Rechenkunststücke
zu Wege bringen.
r Auf die Manipulation
eingefangener Ionen
richten sich dabei besondere
Hoffnungen. Schon
heute lassen sich Daten
auf Ionen speichern und
von einem Ion zum
anderen übertragen.
r Komplette IonenfallenComputer
zu entwickeln,
ist im Prinzip sicher
machbar – aber noch
bleiben viele praktische
Probleme zu lösen.
quantencomputer
SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · Juni 2009 35
Astronomie & Physik
Foto: David Emmite;  Fotoillustration (Kugeln): George Retseck
Quantenbits, kurz Qubits, speichern – muss
widersprüchlichen Forderungen genügen. Die
Qubits müssen einerseits genügend isoliert
von ihrer Umgebung sein; sonst würden unerwünschte
Wechselwirkungen die Berechnung
stoppen. Dieser zerstörende Vorgang,
die so genannte Dekohärenz, ist der Fluch des
Quan­tencomputers. Andererseits müssen die
Qubits stark miteinander wechselwirken und
letztlich exakt gemessen werden, damit sich
das Resultat ihrer Berechnungen feststellen
lässt.
In aller Welt verfolgen Wissenschaftler mehrere
Ansätze, um den ersten Prototyp eines
Quantencomputers zu bauen. Unsere eigene
Forschung konzentriert sich auf die Datenverarbeitung
mittels einfach positiv geladener Ionen;
das sind Atome, denen ein Hüllenelektron
geraubt wurde. Wir haben kurze Ionenstränge
in Fallen gesperrt, halten also die
Teilchen in einem Vakuum zwischen Elektroden
fest, indem wir elektrische Felder an­legen.
So können sie Inputsignale von einem Laser
empfangen und gemeinsam Daten speichern.
Unser Ziel ist die Entwicklung skalierbarer
Rechengeräte – das heißt von Systemen, die
Hunderte oder auch Tausende Qubits enthalten.
Solche Systeme würden in der Tat komplexe
Aufgaben lösen, an denen jeder gewöhnliche
Computer scheitern muss.
Ein Akkord von Quantenzuständen
Die Quantenmechanik ist eine Wellentheorie.
Genau wie Schallwellen, die von mehreren
Klaviersaiten ausgehen, sich zu einem Akkord
vereinen, können verschiedene Quantenzustände
zu einer Überlagerung oder Superposition
kombiniert werden. Beispielsweise kann
ein Atom gleichzeitig an zwei Orten oder in
zwei unterschiedlichen Anregungszuständen
sein. Wenn ein Quantenteilchen in einem solchen
Superpositionszustand gemessen wird,
»kollabiert« der Zustand – so die gängige Interpretation
– zu einem eindeutigen Resultat,
wobei die Wahrscheinlichkeit jedes möglichen
Messresultats durch den relativen Anteil der
Wellen in der Superposition gegeben ist (siehe
Kasten auf S. 36). Auf diesen Superpositionen
Künftige Ionenfallen-Computer
könnten Daten mit Ionensträngen
kodieren und verarbeiten, die sich
ein wenig wie das als Schreibtischspielzeug
beliebte – und hier symbolisch
in ein Computergehäuse
eingebaute – Kugelstoßpendel
verhalten. Die Ionen treten durch
Schwingungsbewegungen miteinander
in Wechselwirkung. Forscher
können die Teilchen manipulieren,
indem sie Laserstrahlen
darauf richten.
Astronomie & Physik
36 SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · Juni 2009
Quantencomputer
beruht die Macht eines Quantencomputers.
Während ein herkömmliches Bit nur die Werte
0 oder 1 annehmen kann, vermag ein Qubit
zugleich 0 und 1 zu sein. Ein System mit
zwei Qubits kann vier Werte auf einmal annehmen
– 00, 01, 10 und 11. Im Allgemeinen
vermag ein Quantencomputer mit N Qubits
gleichzeitig 2N
Zahlen zu manipulieren;
eine Ansammlung von nur 300 Atomen, die
je ein Quantenbit speichern, könnte mehr
Werte enthalten, als es Teilchen im Universum
gibt!
Diese größeren Quantensuperpositionen
sind üblicherweise verschränkt, das heißt, die
0 + 1
0
1
0 0 + 1 1
0 0
1 1
beideFotos:JointQuantumInstitute,Universityofmaryland
JenChristiansen,nach:FredAlanWolf,TakingtheQuantumLeap
Spukhafte Fernwirkung
Das Prinzip der quantenmechanischen Datenverarbeitung
lässt sich auf dem Labortisch
demonstrieren. Die Forscher verwenden einen
Laser (das blaue Gerät in der Fotografie links),
dessen Strahlen durch mehrere Spiegel bis
zu dem Apparat geleitet wird, der die gefangenen
Ionen enthält (oben). Der Laser kühlt
das Ion – entzieht ihm also seine kinetische
Energie –, so dass die Forscher es leicht
manipulieren können.
Messungen der einzelnen Qubits sind korreliert.
Man kann sich die Quantenverschränkung,
die in der klassischen Physik kein
Gegen­stück hat, als eine unsichtbare Verdrahtung
zwischen den Teilchen vorstellen; Einstein
sprach darum von »spukhafter Fernwirkung«.
In unseren Experimenten mit eingefangenen
Ionen verhält sich jedes elektrisch schwebende
Ion wie ein mikroskopischer Stabmagnet; die
Qubitzustände 0 und 1 entsprechen zwei möglichen
Orientierungen jedes atomaren Magneten,
sagen wir aufwärts und abwärts. Mittels
Laserkühlung, die den Atomen durch Photonenstreuung
kinetische Energie entzieht, werden
die Ionen in der Falle fast zum Stillstand
gebracht. Da sie in einer Vakuumkammer ruhen,
sind sie von der Umgebung isoliert, doch
die elektrische Abstoßung zwischen ihnen liefert
eine starke Wechselwirkung, so dass sie
Verschränkung erzeugt. Haarfeine Laserstrahlen
werden auf einzelne Ionen gerichtet, um
die in den Qubits gespeicherten Daten zu manipulieren
und zu messen.
In den letzten Jahren haben Forscher viele
experimentelle Indizien dafür gesammelt, dass
Quantencomputer mit eingefangenen Ionen
prinzipiell konstruierbar sind. Man hat verschränkte
Zustände aus bis zu acht Qubits erzeugt
und gezeigt, dass diese rudimentären
Computer simple Algorithmen ausführen können.
Anscheinend ist es im Prinzip einfach,
Der zweideutige Kippwürfel (a, oben) symbolisiert ein Ion in einem Superpositionszustand
von 0 und 1. Erst die Messung versetzt das Ion in einen eindeutigen Zustand, entweder 0 oder
1 (a, unten). Bilden
zwei Ionen eine verschränkte
Superposition
(b), zwingt eine
Messung beide in den
gleichen Zustand –
entweder 0 oder 1 –,
obwohl eine physikalische
Verbindung zwischen
ihnen fehlt.
a b
SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · Juni 2009 37
Astronomie & Physik
A B A’ B’
0
0
0
0 0 0
0
0
1
11
11
1
1 1
0
0 + 1 0 0 + 1 1
obgleich technisch sehr aufwändig, mit gefangenen
Ionen auch viel mehr Qubits darzustellen.
Nach dem Vorbild klassischer Computer
gälte es, aus jeweils nur wenigen eingesperrten
Ionen einige Typen logischer Gatter zu konstruieren.
Man kann herkömmliche Fehlerkorrekturtechniken
auf die Quantenwelt anwenden,
indem man jedes Qubit durch mehrere
Ionen kodiert. Diese redundante Kodierung
macht das System fehlertolerant, solange die
Fehler sich nicht zu sehr häufen. Letztlich
würde ein brauchbarer Quantencomputer
höchstwahrscheinlich mindestens 1000 Ionen
speichern und manipulieren, die inmitten
komplexer Anordnungen von Elektroden auf
mikroskopischen Chips gefangen säßen.
Die erste Bedingung für einen »universellen«
– für alle möglichen Berechnungen tauglichen
– Quantencomputer ist ein zuverlässiger
Speicher. Versetzen wir ein Qubit in eine
Superposition von 0 und 1 (wobei die magnetische
Orientierung des Ions zugleich auf- und
abwärtsweist), muss es diesen Zustand beibehalten,
bis die Daten verarbeitet oder gemessen
werden. Wie die Forscher seit Langem
wissen, können in elektromagnetischen Fallen
fixierte Ionen sehr gute Qubitspeicher bilden,
mit einer Superpositionsdauer – auch Kohärenzzeit
genannt – von mehr als zehn Minuten.
Diese relativ lange Lebensdauer folgt aus
der extrem schwachen Wechselwirkung eines
Ions mit seiner Umgebung.
Nur nicht den Nachbarn stören!
Die zweite Grundvoraussetzung ist die Fähigkeit,
ein einzelnes Qubit zu manipulieren. Da
die Qubits auf der magnetischen Orientierung
eines eingesperrten Ions beruhen, können
die Forscher für kurze Zeit oszillierende
Magnetfelder anlegen, um ein Qubit von 0 zu
1 oder umgekehrt umzuschalten, oder um es
in eine Superposition zu versetzen. Auf Grund
der kleinen Abstände zwischen den gefangenen
Ionen – meist nur ein paar tausendstel
Millimeter – lassen sich die oszillierenden
Felder zwar nur schwer auf ein einzelnes Ion
beschränken. Gerade das ist aber wichtig,
denn oft wollen wir die Orientierung eines
Qubits ändern, ohne seinen Nachbarn zu stören.
Das Problem lässt sich lösen, indem man
feine, genau auf das oder die gewünschten
Qubits fokussierte Laserstrahlen verwendet.
Die dritte Vorbedingung ist die Fähigkeit,
zumindest einen Typ von logischem Gatter
zwischen Qubits zu konstruieren. Ein solches
Schaltelement kann einem klassischen UNDoder
ODER-Gatter gleichen, aus denen herkömmliche
Prozessoren aufgebaut sind, aber
es muss auch auf die nur Qubits eigenen Superpositionen
einwirken. Ein häufiges logi­sches
Wahrheitstafel eines CNOT-Gatters
Jen Christiansen
Gatter für zwei Qubits heißt kontrolliertes
Nicht-Gatter oder kurz CNOT. Nennen wir
die Qubit-Inputs A und B, wobei A das Kontrollbit
ist. Hat A den Wert 0, so lässt das
CNOT-Gatter B unverändert; wenn A gleich
1 ist, kehrt das Gatter den Wert von B um –
von 0 nach 1 oder umgekehrt (siehe Kas­ten
oben). Dieses Element heißt auch bedingtes
lo­gisches Gatter, denn seine Einwirkung auf
den Qubit-Input B – ob das Bit kippt oder
nicht – wird durch den Wert des Qubit-Inputs
A bedingt.
Um ein bedingtes logisches Gatter zwischen
zwei Ionen-Qubits herzustellen, brauchen wir
eine Kopplung zwischen ihnen; sie müssen
kommunizieren. Da beide Qubits positiv geladen
sind, sind ihre Bewegungen durch Coulomb-Abstoßung
elektrisch stark gekoppelt.
Im Jahr 1995 schlugen Juan Ignacio Cirac
und Peter Zoller an der österreichischen Universität
Innsbruck eine Methode vor, wie sich
mit Hilfe dieser Coulomb-Wechselwirkung die
internen Zustände der beiden Ionen-Qubits
indirekt koppeln lassen und ein CNOT-Gatter
verwirklicht werden kann.
Eine Variante ihres Gatters funktioniert
kurz zusammengefasst folgendermaßen. Stellen
wir uns zwei Murmeln in einer Mulde vor.
Angenommen, sie sind geladen und stoßen
sich gegenseitig ab. Beide Murmeln streben
zum tiefsten Punkt der Mulde, aber die CouEin
Computer mit gefangenen
Ionen beruht auf
logischen Gattern wie
dem kontrollierten NichtGatter
CNOT aus zwei Ionen
A und B. Die Wahrheitstafel
zeigt: Hat A
(das Kontrollbit) den Wert
0, bleibt B unverändert.
Doch wenn A gleich 1 ist,
kippt das Gatter den BWert,
das heißt: B wechselt
von 0 nach 1 oder
umgekehrt. Falls A in
einem Superpositionszustand
von 0 und 1 ist, versetzt
das Gatter die beiden
Ionen in eine verschränkte
Superposition.
(Ihr Zustand ist dann
identisch mit dem im
­Kas­ten links unten (b) ge-
zeigten.)
enormes potenzial
Die hohen Erwartungen, die
sich an Computer mit Ionenfallen
richten, beruht auf der
Tatsache, dass ein System
mit N Ionen 2N
Zahlen auf
einmal zu speichern vermag.
Mit wachsendem N nimmt
der Wert 2N
exponentiell zu.
25
= 32
210
= 1 024
250
=
1 125 899 906 842 624
2100
=
1 267 650 600 228 229 
401 496 703 205 376
38 SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · Juni 2009
Quantencomputer
lomb-Abstoßung zwingt sie, ein bisschen weiter
oben und einander gegenüber zu verharren.
In diesem Zustand bewegen sich die
Murmeln nicht unabhängig voneinander. Sie
könnten beispielsweise in der Mulde längs ihrer
Verbindungsgeraden in konstantem Abstand
hin- und herschwingen. Auch ein Paar
von Qubits in einer Ionenfalle würde eine
gemein­same Bewegung ausführen, wie zwei
durch eine Feder verbundene Pendelgewichte.
Diese Bewegung können die Forscher anregen,
indem sie mit einem Laserstrahl, der auf
Elektroden
Abstoßung zwischen
positiv geladenen Ionen
Ion in Superposition von
Auf- und Abwärtszustand
ElektrodenLaserstrahl
Super­position von
ruhendem und
bewegtem Strang
Prozessor
Speicher
Prozessor
Speicher
Elektroden
Illustrationen:JenChristiansen; FotoIonenfalle:JasonAmini,NIST
Bewegungskopplung von Ionensträngen
Ein Weg zum Bau eines Ionencomputers führt über die Verbindung
der Ionen durch ihre gemeinsame Bewegung. Ein Ionenstrang schwebt
durch elektrische Kräfte zwischen zwei Anordnungen von Elektroden.
Da die positiv geladenen Teilchen einander abstoßen, teilt sich jede
Oszillation, in die ein einzelnes Ion versetzt wird – etwa durch einen
präzise gezielten Laser –, dem ganzen Ionenstrang mit. Laser können
auch die magnetische Orientierung der Ionen kippen, in der die im
Strang gespeicherten Daten kodiert sind. Wenn die Orientierung aufwärts
dem Wert 1 entspricht, bedeutet abwärts 0.
Diese Multizonen-Ionenfalle
wurde am National Institute of
Standards and Technology entwickelt.
Die Zukunft: Dieses System auf größere Ionenzahlen zu erweitern, ist
allerdings schwierig. Anscheinend sind längere Stränge aus mehr als
20 Ionen fast unmöglich zu kontrollieren, weil ihre zahlreichen gemeinsamen
Bewegungszustände miteinander interferie­ren. Darum
entwickeln Forscher gitterförmige Fallen, in denen die Ionen beispielsweise
von einem Speicherstrang zu einem Datenverarbeitungsstrang
befördert werden können. Durch die Quanten­verschränkung der
Ionen werden Daten von einer Zone der Falle zu einer anderen über-
tragen.
●1 Wenn das Ion links außen
im Zustand aufwärts
ist, kippt es der
Laser und versetzt
es in Bewegung;
der ganze Strang
gerät in
Schwingung.
●2 Ein anderer Laser
kippt das Ion ganz
rechts nur dann,
wenn es in
Bewegung ist.
●3 Ein weiterer Laser
kippt das Ion links
außen, sofern es
sich bewegt, und
stoppt die
Bewegung.
●4 Die Ionen ganz links
und ganz rechts
sind nun verschränkt
und können
als ein logisches
Gatter für
Quantenbe-
rechnungen
dienen.
SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · Juni 2009 39
Astronomie & Physik
die natürliche Schwingungsfrequenz der Falle
moduliert ist, Strahlungsdruck ausüben (siehe
Kasten links).
Vor allem lässt sich der Laserstrahl so einstellen,
dass er das Ion nur beeinflusst, wenn
dessen magnetische Orientierung aufwärtsweist,
was hier dem Qubitwert 1 entspricht.
Außerdem rotiert die Orientierung dieser mikroskopischen
Stabmagneten, während sie im
Raum oszillieren. Das Ausmaß der Rotation
hängt davon ab, ob sich nur ein Ion oder beide
im Zustand 1 befinden. Insgesamt gilt: Indem
wir die Ionen für eine sorgfältig abgestimmte
Zeitspanne einer spezifischen Laserkraft
aussetzen, können wir ein CNOT-Gatter
erzeugen. Werden die Qubits anfangs in einen
Superpositionszustand gebracht, verschränkt
die Wirkung dieses Gatters die Ionen; dadurch
wird es ein grundlegender Baustein für
die Realisierung einer beliebigen Quantenberechnung
mit vielen Ionen.
99 Prozent sind noch zu wenig
Forscher an mehreren Laboratorien – an der
Universität Innsbruck, an der University of
Michigan in Ann Arbor, am National Institute
of Standards and Technology (NIST) in
Boulder (Colorado) und an der University of
Oxford – haben funktionierende CNOT-Gatter
hergestellt. Natürlich arbeitet keines dieser
Gatter perfekt, weil Fluktuationen der Laserintensität
und elektrische Streufelder die Reinheit
der Ionenbewegungen beeinträchtigen.
Derzeit gelingt den Forschern die Konstruktion
eines Zwei-Qubit-Gatters, das mit einer
Genauigkeit von knapp über 99 Prozent arbeitet,
das heißt mit einer Fehlerwahrscheinlichkeit
von unter einem Prozent. Ein brauchbarer
Quantencomputer benötigt allerdings
rund 99,99 Prozent Genauigkeit, damit Korrekturtechniken
richtig funktionieren. Alle
Teams, die Ionenfallen erforschen, versuchen
nun, das Hintergrundrauschen entsprechend
zu reduzieren; diese Aufgabe ist zwar ungemein
schwierig, aber prinzipiell lösbar.
Doch lässt sich aus gefangenen Ionen wirklich
ein vollwertiger Quantencomputer entwickeln?
Leider sind längere Ionenketten, die
mehr als rund 20 Qubits enthalten, kaum zu
kontrollieren, weil ihre zahlreichen kollektiven
Bewegungszustände miteinander interferieren.
Darum verfolgen Wissenschaftler den Ansatz,
die Quantenhardware in handliche Stücke zu
teilen und Berechnungen mit kur­zen Ionenketten
auszuführen, die auf dem Quan­tencomputerchip
hin und her verschoben werden.
Elektrische Kräfte können die Ionenketten
nämlich bewegen, ohne deren innere
Zustände zu stören, und somit die von ihnen
getragenen Daten bewahren. Man könnte
eine Kette mit einer anderen verschränken,
um Daten zu übertragen und Verarbeitungsaufgaben
auszuführen, die den Einsatz vieler
logischer Gatter erfordern. Diese Architektur
würde dem in Digitalkameras verwendeten ladungsgekoppelten
Bauelement (charge-coupled
device, CCD) ähneln. So wie ein CCD elektrische
Ladung über eine Anordnung von Kondensatoren
verschiebt, könnte ein Quantenchip
Fäden aus einzelnen Ionen durch ein
Gitter aus linearen Fallen treiben.
Bei vielen Experimenten am NIST werden
Ionen durch eine so genannte Multizonen-Linearfalle
geschleust. Für viel größere Systeme
sind aber kompliziertere Strukturen erforderlich,
in denen zahlreiche Elektroden die Ionen
in jede Richtung zu leiten vermögen. Die Abmessungen
der Elektroden müssten zwischen
hundertstel und zehntel Millimeter liegen, damit
sie den Ionentransport präzise eingrenzen
und steuern. Zum Glück können die Konstrukteure
dafür Mikrofabrikationstechniken
nutzen, die bereits für den Bau herkömmlicher
Computerchips in Gebrauch sind, insbesondere
mikroelektromechanische Systeme
und die Halbleiterlithografie.
Im Jahr 2007 haben mehrere Teams die
ers­ten integrierten Ionenfallen vorgeführt. An
den Universitäten von Michigan und Maryland
wurde dafür eine Galliumarsenid-Halbleiterstruktur
eingesetzt. Am NIST haben
For­scher eine neue Ionenfallen-Geometrie
entwickelt, bei der die Ionen über einer Chipoberfläche
schweben. Gruppen bei der Firma
Alcatel-Lucent und den Sandia National Laboratories
fabrizierten auf Siliziumchips sogar
noch raffiniertere Varianten.
Dennoch sind diese Chipfallen weiterhin
sehr unvollkommen. Die Forscher müssen das
von nahen Oberflächen ausgehende atomare
Rauschen reduzieren, vielleicht durch Kühlung
der Elektroden mit flüssigem Stickstoff oder
Helium. Auch müssen sie die Bewegung der
Ionen über den Chip geschickt organisieren,
damit die Teilchen sich nicht erwärmen und
ihre Position unkontrolliert verändern. Allein
um Ionen um eine Ecke in einer T-förmigen
mit frdl. Gen. von Rainer Blatt, Universität Innsbruck
Ein schwebender Strang von acht Kalziumionen wird in einer Vakuumkammer
gefangen gehalten und durch Laserkühlung fast völlig zum Stillstand gebracht.
Solche Stränge können Quantenberechnungen ausführen.
Die kleine Grenze
Der Bau eines Computers
mit einzelnen Atomen als
Speicherelementen führt an
eine natürliche Grenze der
Miniaturisierung. Schon
1959 meinte der amerikanische
Physiker Richard
Feynman in einer berühmten
Vorlesung mit dem Titel
»There’s Plenty of Room at
the Bottom« (Ganz unten ist
viel Platz): »Wenn wir in der
sehr, sehr kleinen Welt
ankommen – sagen wir, bei
Schaltkreisen aus sieben
Atomen –, begegnen wir
vielen neuen Vorgängen, die
völlig neue Konstruktionsmöglichkeiten
bieten. Atome
verhalten sich im Kleinen
völlig anders als irgendetwas
im Großen, denn sie
gehorchen den Gesetzen der
Quantenmechanik.«
40 SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · Juni 2009
Quantencomputer
Vakuumröhre
Elektrode emittierte Photonen
Ion in Superposition von
Aufwärts- und Abwärts-
zustand
Laserstrahl
Glasfaser
oder oder
Photonzustand
50 Prozent
50 Prozent
Strahlteiler
Fotodetektor
ERGEBNIS 1
25 Prozent
Wahrschein-
lichkeit
ERGEBNIS 2
25 Prozent
Wahrschein-
lichkeit
ERGEBNIS 3
50 Prozent
Wahrschein-
lichkeit
Ionenkopplung mittels Photonen
Kreuzung zu bugsieren, sind die elek­trischen
Kräfte sorgsam zu synchronisieren.
Unterdessen verfolgen andere Wissenschaftler
einen alternativen Ansatz, der einige
Schwierigkeiten bei der Kontrolle der Ionenbewegungen
umgehen soll. Statt die Ionen
durch ihre Oszillationen zu koppeln, dienen
Photonen, also Lichtteilchen, zur Verbindung
der Qubits. Nach einer Idee, die Cirac, Zoller
und ihre Kollegen Luming Duan von der
University of Michigan und Mikhail Lukin
von der Harvard University 2001 formulierten,
emittiert jedes gefangene Ion Photonen,
deren Eigenschaften wie Polarisation
oder Wellenlänge dabei mit den internen magnetischen
Zuständen des Ions verschränkt
werden. Dann wandern die Lichtteilchen
durch Glasfasern zu einem Strahlteiler. Solch
ein optisches Element spaltet normalerweise
einen Lichtstrahl, in dieser Anordnung funktioniert
es aber umgekehrt als Lichtweiche:
Die Photonen treten von entgegengesetzten
Seiten in das Gerät ein, und wenn sie die gleiche
Polarisation und Wellenlänge besitzen, interferieren
sie miteinander und können nur
auf ein und derselben Bahn austreten. Doch
bei unterschiedlicher Polarisation oder Wellenlänge
– ein Hinweis darauf, dass sich die gefangenen
Ionen in unterschiedlichen Qubitzuständen
befinden – folgen die Photonen separaten
Pfaden zu einem Detektorenpaar
(siehe Kasten oben). Der entscheidende Punkt
ist: Nachdem sie die Detektoren erreicht haben,
lässt sich nicht mehr sagen, welches Ion
welches Photon emittiert hat, und genau
dieses Quantenphänomen erzeugt die Verschränkung
zwischen den Ionen.
Doch die emittierten Photonen werden
nicht bei jedem Versuch erfolgreich gesammelt
oder nachgewiesen. In der Tat gehen die
Lichtteilchen sogar in den allermeisten Fällen
verloren, sodass die Ionen nicht verschränkt
sind. Aber dieser Fehler lässt sich kompensieren,
indem man den Vorgang wiederholt und
Ein anderer Ansatz verbindet die
Ionen mit Hilfe der von ihnen emittierten
Lichtquanten. Zwei weit voneinander
entfernte gefangene Ionen
(lila) schweben jeweils in einer Vakuumröhre
(Foto unten). Sie werden mit
Laserpulsen angeregt und emittieren
Photonen, die dann durch Glasfasern
zu einem Strahlteiler wandern. Die
Frequenz der Photonen hängt von der
magnetischen Orientierung der Ionen
ab; ein Photon, das von einem Ion in
einem Superpositionszustand Aufwärts-Abwärts
stammt, ist zum Beispiel
in einer Frequenzsuperposition
Rot-Blau. Sind die Photonen der zwei
Ionen im selben Zustand, so lenkt der
Strahlteiler beide zu einem Fotodetektor.
Falls die Photonen unterschiedliche
Zustände repräsentieren,
wandern sie zu separaten Detektoren.
Sobald das geschieht, sind die Ionen
verschränkt, denn nun lässt sich nicht
sagen, welches Ion welches Photon
emittiert hat.
Foto Vakuumröhre: Steven Olmschenk, Joint Quantum Institute, University of Maryland;  Illustrationen: JEN CHRISTIANSEN
SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · Juni 2009 41
Astronomie & Physik
Christopher R. Monroe (links) ist
Physikprofessor an der University of
Maryland und gehört deren Joint
Quantum Institute und dem National
Institute of Standards and
Technology (NIST) an. Seine Spezialität
ist das elektromagnetische
Einfangen, Laserkühlen und Manipulieren
von Atomen und Ionen.
David J. Wineland promovierte
1970 an der Harvard University. Er
leitet die Ionenspeichergruppe bei
der Time and Frequency Divison
des NIST in Boulder (Colorado). Sie
konzentriert sich auf Laserkühlung
und Spektroskopie von eingefangenen
Ionen.
Aaronson, S.: Die Grenzen der
Quantencomputer. In: Spektrum der
Wissenschaft 7/2008, S. 90 – 97.
Monroe, C. R.: Quantum Information
Processing with Atoms and
Photons. In: Nature 416(6877),
S. 238 – 246, 2002.
Nielsen, M. A.: Spielregeln für
Quantencomputer. In: Spektrum der
Wissenschaft 4/2003, S. 48 – 56.
Weitere Weblinks zu diesem Thema
finden Sie unter www.spektrum.de/
artikel/992814.
gefangene Ionen Laser-
strahl
Mikrospiegel­
anordnung
Mikrospiegel­
anordnung
emittierte
Photonen
Strahlteiler CCD-Kamera
	 aktivierte Pixel
zeigen Ionenverschränkung
an
einfach darauf wartet, dass Photonen in den
Detektoren gleichzeitig gezählt werden. Sobald
dies eintritt – selbst wenn die Ionen weit
auseinanderliegen –, beeinflusst die Manipulation
des einen Qubits das andere, und ein
logisches CNOT-Gatter kann funktionieren.
Forscher an den Universitäten von Michigan
und Maryland haben erfolgreich zwei Ionen-Qubits,
die rund einen Meter voneinander
entfernt gefangen lagen, mittels der Interferenz
der von ihnen emittierten Photonen
verschränkt. Das größte Hindernis bei solchen
Experimenten ist die magere Verschränkungsrate;
die Wahrscheinlichkeit, die einzelnen
Photonen in einer Faser einzufangen, ist
so gering, dass nur ein paar Mal pro Minute
Ionen verschränkt werden. Die Quote ließe
sich drastisch steigern, wenn jedes Ion in
einem so genannten optischen Hohlraum von
hoch reflektierenden Spiegeln umgeben würde.
Dadurch würde die Ionenemission viel
stärker mit den Glasfasern verkoppelt, aber
diese Verbesserung lässt sich derzeit experimentell
nur sehr schwer realisieren. Bis jetzt
müssen die Forscher zwar jeweils lange auf
den Eintritt der Interferenz warten, dann aber
können sie das System tatsächlich zum Verarbeiten
von Quantendaten nutzen. Der Vorgang
ähnelt dem Versuch, in einem neuen
Haus Kabelfernsehen zu bekommen: Es mag
viele Telefonanrufe erfordern, bis die Kabelfirma
das System installiert, aber letztlich wird
man angeschlossen, und der Fernseher läuft.
Außerdem können die Quantengatter im
Prinzip große Qubitmengen verarbeiten, wenn
man per Glasfaser zusätzliche Ionenemitter
anschließt und die Prozedur wiederholt, bis
immer mehr verschränkte Verbindungen entstehen.
Auch sollte es möglich sein, sowohl
die Photonenkopplung als auch die zuvor diskutierte
Bewegungskopplung einzusetzen, um
mehrere kleine Gruppen gefangener Ionen
über große oder gar globale Distanzen zu verbinden.
Genau das ist die Idee eines »Quantenverstärkers«,
in dem kleine Quantencomputer
in regelmäßigen Abständen vernetzt wer­­
den, um ein Qubit aufrechtzuerhalten, während
es hunderte von Kilometern zurücklegt.
Ohne ein solches System würden die Daten
meist für immer verloren gehen.
Erste Zeichen radikaler Veränderung
Noch liegt die Konstruktion eines leistungsfähigen
Quantencomputers in weiter Ferne.
Den­­noch werden schon heute manchmal
Quan­tendaten verarbeitet. Zum Beispiel finden
einige simple logische Operationen, die
für Zwei-Qubit-Gatter nötig sind, in Atomuhren
Verwendung; diese Geräte messen die
Zeit mittels der Frequenz der von Atomen
beim Übergang zwischen unterschiedlichen
Quantenzuständen emittierten Strahlung.
Auch können Forscher die Verfahren zum
Verschränken gefangener Ionen nutzen, um
spektroskopische Messungen zu verfeinern,
das heißt, das von angeregten Atomen emittierte
Licht genauer zu analysieren.
Das Gebiet der Quanteninformatik wird
die Datenverarbeitung radikal verändern. Ansammlungen
eingesperrter Ionen spielen dabei
eine führende Rolle, denn sie sind zum
­einen besser von der Umgebung isoliert als die
meis­ten anderen physikalischen Systeme. Andererseits
können die Forscher verschränkte
Quantensuperpositionen, die aus einigen Ionen
bestehen, mit Hilfe von Lasern leicht herstellen
und messen. In den kommenden Jahren
rechnen wir mit einer neuen Generation von
Ionenfallen-Chips, die den Weg für Quantencomputer
mit viel mehr Qubits bereiten
könnten. Dann wird vielleicht der Traum
von einer extrem leistungsfähigen Quantenmaschine
endlich Wirklichkeit.
Die Zukunft: Die Ionenkopplung mit Photonen verspricht
ein relativ einfaches Verfahren zu sein, mit
dem sich viele Ionen verbinden lassen. Laserstrahlen
werden auf eine Anordnung gefangener Ionen gerichtet,
und die emittierten Photonen wandern zu einer
Batterie von Strahlteilern. Eine CCD-Kamera könnte
leicht feststellen, wann zwei Ionen verschränkt werden,
und jede Verschränkung würde die Rechenkapazität
des Ionencomputers steigern.