Fortschritte im Unsichtbaren Die TU Wien und die aktuelle Forschung in Sachen Quantenphysik & Co.

Die TU Wien erweitert mit einem Forschungsteam aus China die Grenzen des Quantencomputers, hat einen Quantenschalter durch Ionenbeschuss entdeckt. Und den kleinsten QR-Code der Welt geschaffen.

Zum Thema 1: Eine neue Art von Quanten-Computing wird möglich! Und zwar durch eine Zusammenarbeit der TU Wien mit Forschungsgruppen aus China. Denn mit einem neuartigen Quanten-Gate (Gatter) gelang es jetzt, logische Rechenoperationen mit Photonen durchzuführen, die sich in einer Kombination aus vier verschiedenen Zuständen befinden. Das, so wird betont, ist ein wichtiger Meilenstein für optische Quantencomputer, der ganz neue Chancen eröffnet. Die Arbeit wurde nun im Fachjournal „Nature Photonics“ präsentiert. Die Grundidee eines Quantencomputers ist eigentlich einfach, heißt es: Während ein klassischer Computer nur mit den Zuständen 0 und 1 arbeiten kann, erlaubt die Quantenphysik auch eine beliebige Kombination dieser Zustände.

Ein Quantenbit (Qubit) kann sich also in den Zuständen 0 und 1 zugleich befinden. So werden Algorithmen möglich, die manche Aufgaben viel schneller lösen können als ein klassischer Computer, wie die Forscher erklären. Doch prinzipiell lassen sich solche Zustandsüberlagerungen auch aus mehr als zwei Komponenten herstellen. Ein Quantenteilchen kann sich ja nicht nur in zwei Zuständen, sondern in vielen Zuständen gleichzeitig befinden. Dann spricht man nicht mehr von einem Qubit, sondern von einem Qudit. Das bringt für Quantenberechnungen entscheidende Vorteile. Es gelang nun, ein Schema für die Verarbeitung komplizierterer Quantenzustände zu entwickeln. Und die Kollegen aus China schafften es, dieses Schema experimentell umzusetzen. So entstand das neuartige Quanten-Gate, mit, wie betont wird, revolutionären Einsatzmöglichkeiten.

Die Quantenphysik geht in die vierte Dimension

Denn bisher wurde bei Quantenexperimenten mit Photonen normalerweise die Polarisation der Photonen – also von Lichtquanten – gemessen, eine Eigenschaft, die zwei verschiedene Messergebnisse liefern kann. Quantenphysikalisch gesehen, kann sich das Photon aber auch in einer Kombination dieser beiden Zustände befinden – ähnlich wie man sich gleichzeitig nach Norden und nach Osten bewegen kann, wenn man in nordöstliche Richtung geht, veranschaulichen die Wiener. „Wir verwenden Photonen aber nun auf grundlegend andere Weise“, so Nicolai Friis vom Atominstitut der TU Wien. Statt für die Polarisation blickt man nämlich auf die Wellenform des Photons.

Sie könne theoretisch unendlich viele verschiedene Zustände annehmen, die unterschiedlichen Drehimpulswerten entsprechen. Das Team um Friis entwickelte schließlich ein Verfahren, das mit zwei solcher Photonen funktioniert. Beide Teilchen können also in Kombinationen vieler verschiedener Wellenformen vorliegen. Durch ausgeklügelte Manipulation kann man beide Photonen aber in einen gemeinsamen Zustand versetzen – das nennt man bekanntlich Quantenverschränkung. Oder man kann einen solchen verschränkten Zustand gezielt wieder in zwei voneinander unabhängige Zustände zerlegen. Das ist es, womit ein Quantencomputer schließlich rechnen kann. Man hat sich entschlossen, mit vier Zuständen zu arbeiten. Friis bleibt beim Richtungsbeispiel: „Man bewegt sich gewissermaßen in einem 4-dimensionalen Raum und kann mit beliebigen Kombinationen dieser vier Zustände arbeiten.“

Man kann genau feststellen, ob alles nach Plan geklappt hat

Um das zu ermöglichen, war nicht nur ein neues theoretisches Protokoll nötig! Denn auch die Verbesserung von Technik und experimenteller Präzision musste erreicht werden, wie Friis weiter ausführt. Nun, das Team um Hui-Tian Wang in China konnte in diesem Bereich große Erfolge einfahren. „Es ist nicht weniger als erstmals gelungen, ein logisches Quanten-Gatter herzustellen, das mit zwei Photonen arbeitet, die sich jeweils in einer Kombination von vier verschiedenen Zuständen befinden“, freut sich Friis. Die Experten können also die beiden Photonen verschränken.

Und es handelt sich auch noch um ein heraldiertes Protokoll! Das, erklärt Friis, bedeutet, dass man nach der Quantenoperation genau feststellen kann, ob alles funktioniert hat oder nicht. Wenn nicht, könne man die Operation einfach wiederholen. Das sei genau das, was man für Quantenoperationen in der Praxis brauche. Der neue Ansatz soll Quanteninformationstechnik in vielen Bereichen besser, leistungsfähiger und stabiler machen. Der Vorteil: Man braucht weniger Teilchen, um dieselbe Menge an Quanteninformation zu speichern! Prof. Marcus Huber, ebenfalls Atominstitut der TU Wien, ergänzt: „Das hat große Vorteile im Hinblick auf die Verlässlichkeit der Quantenoperationen! Die neue Arbeit erschließt der Quantentechnologie also – ganz buchstäblich – neue Dimensionen.“

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