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Verschränkte Photonen lassen sich für Quantencomputer gezielt verbinden
Quantencomputer brauchen große Netze miteinander verschränkter Quantenbits. Doch bisher gelingt das Verknüpfen kleiner Photonengruppen oft nur mit Glück. Jetzt haben Physiker mithilfe eines supraleitenden Schaltkreises eine gezielt steuerbare Verbindung demonstriert und damit einen gemeinsamen Quantenzustand aus 13 Mikrowellen-Photonen erzeugt. Der Ansatz könnte künftige Quantenprozessoren und Quantennetzwerke vereinfachen.
Hefei (China). Für viele Quantenverfahren reicht es nicht, einzelne Quantenbits zuverlässig zu kontrollieren. Sie müssen auch miteinander verschränkt sein: Ihr gemeinsamer Zustand lässt sich dann nicht mehr als Summe unabhängiger Teilchen beschreiben. Besonders interessant sind sogenannte Graphzustände. Dabei folgt die Verschränkung einem Muster, das sich als Netzwerk aus Knoten und Verbindungen darstellen lässt.
Bei einem messungsbasierten Quantencomputer könnten gezielte Messungen an solchen Netzwerken die Rechenschritte ermöglichen. Doch je mehr Photonen beteiligt sind, desto schwieriger wird ihre Herstellung. Eine mögliche Abkürzung ist die Fusion: Zunächst werden kleine verschränkte Gruppen erzeugt und anschließend zusammengefügt. Mit herkömmlichen linearen optischen Verfahren klappt diese Verbindung allerdings nicht bei jedem Versuch.
Forscher der Tsinghua University (THU) um Hongyi Zhang haben nun eine solche Fusion mit fliegenden Mikrowellen-Photonen experimentell umgesetzt. Statt nur auf das Zusammentreffen von Teilchen in optischen Bauteilen zu setzen, nutzen sie einen supraleitenden Quantenschaltkreis. Er soll kleinere, bei Bedarf erzeugte Photonengruppen so verbinden, dass beide möglichen Messergebnisse zur Verknüpfung führen.
Das Herzstück ist ein Quantendetektor, der ausgewählte Paare vorbeifliegender Mikrowellen-Photonen untersucht, ohne diese dabei zu vernichten. Er bestimmt ihre gemeinsame Parität, also eine bestimmte Beziehung zwischen den Zuständen der beiden Quantenbits. Diese Messung versetzt das Paar in einen verschränkten Bell-Zustand. Dadurch werden die zuvor getrennten Photonengruppen miteinander verbunden.
Bei herkömmlichen Verfahren muss oft auf einen passenden Messausgang gewartet werden. Hier können hingegen beide möglichen Ergebnisse zur Fusion genutzt werden. Genau darin liegt das als deterministisch bezeichnete Prinzip: Für die Verbindung muss kein bestimmtes Resultat herausgefiltert werden. Das bedeutet allerdings nicht, dass jeder erzeugte Quantenzustand bereits fehlerfrei ist.
Hinzu kommt die Programmierbarkeit. Indem die Forscher die Frequenz einzelner Mikrowellen-Photonen verändern, legen sie fest, welche Paare der Detektor miteinander verknüpft. So können sie das Verbindungsmuster gezielt beeinflussen, statt lediglich eine Kette zu verlängern. Als Demonstration erzeugte das Team auch einen ringförmigen Graphzustand mit fünf Knoten.
Die Quanteninformation steckt dabei in den Zeitfenstern, in denen die Photonen auftreten. Diese zeitliche Kodierung ermöglicht es, nacheinander erzeugte Photonen als Quantenbits zu nutzen. Kleine verschränkte Zustände lassen sich dadurch zunächst einzeln herstellen und später durch wiederholte Fusion zu größeren Graphen verbinden.
Für den größten beschriebenen Aufbau verband das Team drei kleinere Clusterzustände mit vier, fünf und nochmals vier Photonen-Quantenbits. Das Ergebnis war ein linearer Graphzustand mit elf Knoten, der durch insgesamt 13 Photonen-Quantenbits redundant kodiert wurde. Die Wissenschaftler wiesen dabei eine echte Verschränkung über alle 13 Photonen nach. Der Nachweis gelang nach Angaben des Labors für einen der möglichen Messzweige.
Damit das Verfahren auch längere Netzwerke ermöglichen könnte, setzt der Schaltkreis seine supraleitenden Quantenbits zwischen einzelnen Arbeitsschritten zurück und verwendet sie erneut. So lässt sich die Wirkung des allmählichen Verlusts empfindlicher Quanteneigenschaften begrenzen. Die gesamte Photonenkette muss nicht während einer einzigen, ununterbrochenen Phase erzeugt werden.