Tiroler Physiker auf dem Weg zum Computer der Zukunft

Ein weiterer Schritt Richtung Quantencomputer: Der Tiroler Physiker, Gerhard Kirchmair, entwickelte an der Yale University ein künstliches Medium, um Mikrowellen-Photonen zum Speichern von Quanteninformationen zu nutzen.

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Wien/Innsbruck/New Haven - Wissenschafter der Yale University in New Haven (US-Bundesstaat Connecticut) haben einen Weg gefunden, wie sie Mikrowellen-Signale so manipulieren können, dass sie in einem zukünftigen Quantencomputer eingesetzt werden könnten. Ein von ihnen entwickeltes künstliches Medium ermöglicht es, die Photonen der Mikrowellen-Strahlung als Speicher zu nutzen, berichteten der Tiroler Physiker Gerhard Kirchmair und seine Kollegen kürzlich in der Wissenschaftszeitschrift „Nature“.

Derzeit wird weltweit nach Konzepten gesucht, mit denen sich ein Quantencomputer realisieren ließe. Im Gegensatz zum Bit, der kleinsten Informationseinheit in der klassischen Informationstechnologie, die zwei Zustände (Ja/Nein oder 0/1) einnehmen kann, sollen beim Quantencomputer Quantenzustände als kleinste Einheit - genannt Quantenbit (Qubit) - dienen. Weil dabei die Gesetze der Quantenwelt gelten, kann ein solcher Quantenzustand verschiedene Schwebezustände zwischen zwei Möglichkeiten einnehmen. Mit mehreren Qubits könnte man deshalb bestimmte Probleme wesentlich schneller lösen als in einem klassischen Computer.

Wie ein klassischer Computer muss aber auch ein Quantencomputer in der Lage sein, Information zu empfangen, zu speichern und zu verarbeiten. Das Problem dabei ist die fragile Natur der Quanteninformation. Die Wissenschafter nutzten nun Photonen zum Speichern der Quanteninformation. Sie eignen sich dafür besonders, weil die Lichtteilchen nur sehr schwach mit ihrer Umgebung wechselwirken, etwa mit dem Lichtwellenleiter oder Luft, und damit die eingeschriebene Information geschützt ist.

Zur Nutzung der Photonen haben die Physiker ein spezielles „künstliches Medium“ kreiert. „Konkret arbeiten wir bei 20 Millikelvin (ein paar Tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt von minus 273,15 Grad Celsius, Anm.) mit einem aus Aluminium bestehenden Mikrowellen-Hohlraumresonator, der an ein supraleitendes Qubit gekoppelt ist“, erklärte Kirchmair gegenüber der APA. Die Wissenschafter in Yale haben das Qubit durch den Ladungszustand zweier Supraleiter realisiert, die durch eine sehr dünne Isolatorschicht voneinander getrennt sind. Der Vorteil solch supraleitender Qubits ist, dass sie sich in elektrischen Schaltkreisen verarbeiten und relativ einfach mit konventioneller Elektronik koppeln lassen.

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Die Eigenschaften des Hohlraumresonators werden durch die Koppelung an das Qubit verändert, „das erlaubt uns, herkömmliche Mikrowellen-Signale ohne direktes Eingreifen in einen Quantenzustand zu bringen“, so Kirchmair, der 2011 an der Uni Innsbruck „sub auspiciis“ promoviert wurde. Einen der Quantenzustände, die dabei erzeugt werden können, nennt man „Schrödingers Katze“: Das elektrische Feld im Resonator zeigt dabei gleichzeitig in zwei verschiedene Richtungen, so wie man von „Schrödingers Katze“ nicht weiß, ob sie lebendig oder tot ist. „Bisher musste ein solcher Zustand mit sehr aufwendigen und komplizierten Verfahren erzeugt werden, in unserem künstlichen Medium passiert das von ganz alleine“, sagte der Physiker.

Ausgelesen werden kann die Quanteninformation schließlich durch das supraleitende Qubit und einen zweiten Resonator. Mit dessen Hilfe werden die Messsignale erzeugt, die es ermöglichen, den Quantenzustand des Speicher-Resonators zu rekonstruieren.

Kirchmair hat die Forschungsarbeit im Rahmen seiner Post-Doc-Tätigkeit in Yale durchgeführt. Vor wenigen Tagen hat er eine auf fünf Jahre befristete Stelle als Professor an der Uni Innsbruck angetreten. Nach Kirchmairs Angaben handelt es sich dabei um ein zwei Professoren-Stellen umfassendes, vom theoretischen Physiker Peter Zoller initiiertes Pilotprojekt für ein Tenure-Track-artiges Verfahren, um jungen Wissenschaftern bessere Möglichkeiten an der Universität zu geben. Zudem wurde Kirchmair auch Junior Research Director am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Akademie der Wissenschaften. (APA)


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