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Quantencomputer: Verschränkte Quantenschaukel

Zwei amerikanische Physiker haben mit "künstlichen Atomen" wohl eine der kleinsten Doppelschaukeln der Welt gebaut. Sie wollen damit auf konventionellen Mikrochips den Rechner der Zukunft in greifbare Nähe bringen.
Ob sich der amerikanische Präsident Georg W. Bush für das Schloss Freudenberg in Wiesbaden interessierte, als er diese Woche im Rhein-Main-Gebiet zu Besuch war, ist nicht bekannt. Es ist zumindest eine Reise wert. Dort kann der Besucher viel über sich und die Natur sinnlich erfahren. Die meisten Objekte haben Schwingungen jeglicher Art zum Thema.

Im Schlosspark befindet sich beispielsweise eine so genannte Partnerschaukel: Sie besteht aus zwei gegenüberliegenden Schaukeln, deren Seile links und rechts jeweils miteinander verbundenen sind. Die Spielgeräte vollführen sehr ungewohnte Bewegungen: Beginnt eine Personen zu schwingen, überträgt sich die Dynamik alsbald auf den zuvor passiv gebliebenen Partner. Er fängt erst leicht an zu schaukeln, bis er rasch genau so wild hin und her saust wie der Initiator. Dieser kommt, trotz größter Bemühungen nach und nach zum Stillstand, bis er kurze Zeit später seinen Schwung zurückerhält. So geht es dann im ständigen Hin und Her. Physiker nennen das ein gekoppeltes Pendel.

Was man im Schloss Freudenberg bewundern kann, hat ein Team um die beiden amerikanischen Physiker Ray Simmonds und John Martinis vom National Institute of Standards and Technology (NIST) und der Universität von Kalifornien in Santa Barbara nun in ganz klein nachgebaut: Sie verbanden zwei so genannte Josephson-Kontakte elektronisch miteinander. Diese bestehen aus jeweils zwei hauchdünnen Supraleitern, die durch schmale Isolatoren voneinander getrennt sind. Trotz dieser Barrikade fließt ein Strom von einem Supraleiter zum anderen.

Das ist ein eigentümliches, quantenmechanisches Phänomen, das Physiker als "tunneln" bezeichnen. Submikroskopisch kleine Teilchen können nämlich durch Widerstände hindurchtreten, so als stünde nichts im Weg. Übertragen auf die uns gewohnte Umgebung würde das bedeuten, dass wir beispielsweise durch Wände hindurch gehen könnten. Zwar schließen Naturwissenschaftler nicht gänzlich aus, dass dieser Selbstversuch glücken kann, doch raten sie entschieden davon ab. Denn was in der Welt des Allerkleinsten gang und gäbe ist, ist für unsere Erfahrungswelt höchst unwahrscheinlich. Im Normalfall holt man sich ausschließlich eine blutige Nase.

In diesen Josephson-Kontakten können Experimentatoren Ladungsträger jedoch blitzschnell von einem Supraleiter zum anderen hin und her jagen. Diese Oszillationen gleichen prinzipiell Anregungszuständen von Atomen.

Nun eignen sich Atome vortrefflich als Informationsträger für Computer, dachten sich die Forscher, und quantenmechanisch miteinander verschränkte gar für Quantencomputern. Diese rechnen nicht mehr mit eindeutigen Binärzahlen, die sich als Kolonnen von Nullen oder Einsen darstellen lassen, sondern sie kennen ebenso Zwischenstufen, die sowohl das Ergebnis Eins als auch das Ergebnis Null enthalten. Derartige Informationseinheiten nennen Informatiker Quantenbits oder kurz Qubits. Gelänge es dereinst, einen solchen Rechner zu erschaffen, ließen sich selbst komplexeste Kalkulationen rasend schnell bewältigen. Er überschlüge in einem Arbeitsschritt quasi alle möglichen Varianten.

Atome wären dafür wie geschaffen. Doch ist es schwierig, derart winzige Gebilde in eine brauchbare elektronische Schaltung einzubringen. Daher griffen Simmonds, und Martinis auf "künstliche Atome" zurück: auf die besagten Josephson-Kontakte. Sie lassen sich massenweise auf einen Mikrochip platzieren. Das einzige, was die Forscher jetzt noch machen mussten, war, die supraleitenden Geräte miteinander zu verschränken. Dazu verbanden sie die Supraleiter mit einem winzig kleinen Kondensator.

Um nun zu zeigen, dass die Josephson-Kontakte wirklich miteinander verschränkt waren, maß das Team nahezu zeitgleich die jeweiligen Zustände beider Komponenten. Aus der Quantenmechanik ergibt sich, dass sie zueinander komplementär sein müssen: Befindet sich die eine Schaltung in einem angeregten Zustand, muss die andere im Grundzustand sein und umgekehrt. Das ist wie auf der Partnerschaukel: Schaukelt der eine, langweilt sich der andere bewegungslos auf seinem Sitzbrett.

Doch blieb für die Analyse nicht viel Zeit. Eine Messung bedeutet immer eine Störung des Gesamtsystems, die sich bei den gekoppelten Josephson-Kontakten innerhalb von Bruchteilen einer Sekunde auf den Partner auswirkt. Damit wäre aber keine Aussage über eine gelungene Verschränkung möglich. Um es erneut mit dem Bild von der Partnerschaukel zu verdeutlichen: Es nützt gar nichts, nur eine Seite zu beobachten. Man muss schon beide gleichzeitig im Auge behalten, um sicher zu sein, dass sie miteinander verbunden sind. Durch ultrakurze Mikrowellenpulse gelang es den Forschern nun tatsächlich, die Verschränkung festzustellen.

Zwar sind noch viele technische Probleme beiseite zu räumen – so muss aus der Schaltung erst noch ein logisches Bauteil gemacht werden, das zu einem definierten Input ein eindeutiges Signal liefert. Doch eröffnet sich nun erstmalig ein Weg, aus handlichen, elektronischen Bauteilen vielleicht einmal einen Quantencomputer zu bauen.

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