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Quantentechnologie

20 verschränkte Katzenzustände bringen neuen Rekord

| Autor / Redakteur: Dr. Regine Panknin, Tobias Schlößer* / Christian Lüttmann

Im Quantencomputing ist ein Katzenzustand - benannt nach der berühmten Analogie von Schrödingers Katze - ein Quantenzustand, der sich aus zwei diametral entgegengesetzten Bedingungen gleichzeitig zusammensetzt.
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Im Quantencomputing ist ein Katzenzustand - benannt nach der berühmten Analogie von Schrödingers Katze - ein Quantenzustand, der sich aus zwei diametral entgegengesetzten Bedingungen gleichzeitig zusammensetzt. (Bild: Forschungszentrum Jülich / Annette Stettien)

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Qubits sind die Recheneinheiten von zukünftigen Quantencomputern. Sie zu erzeugen und zu stabilisieren ist äußerst schwierig. Gleich 20 davon zu überlagern war bis vor kurzen noch keinem Forscherteam gelungen. Nun hat eine internationale Gruppe von Wissenschaftlern genau das geschafft, und damit einen Rekord in der Erzeugung derartiger „Katzenzustände“ gebrochen.

Jülich – Tot oder lebendig, linksdrehend oder rechtsdrehend – in der Quantenwelt können Teilchen wie die berühmte Analogie von Schrödingers Katze all das gleichzeitig sein. Der Physiker Erwin Schrödinger hatte 1935 das Gedankenexperiment mit der Quantenkatze aufgebracht, in dem die Katze zusammen mit einem radioaktivem Präparat, einem Detektor und einer tödlichen Menge Gift in einer Kiste eingeschlossen ist. Sollte der radioaktive Stoff zerfallen, schlägt der Detektor Alarm und das Gift wird freigesetzt. Das Besondere daran: Nach den Regeln der Quantenmechanik ist – anders als im Alltag – nicht klar, ob die Katze tot ist oder lebendig. Sie wäre beides gleichzeitig, und zwar so lange, bis ein Experimentator nachschaut. Denn erst dann stellte sich ein eindeutiges Ergebnis ein.

Bereits seit Beginn der 1980er Jahre sind Forscher in der Lage, diese Überlagerung von Quantenzuständen – auch Katzenzustände genannt – mittels verschiedener Ansätze experimentell im Labor zu realisieren. „Diese Überlagerungszustände sind allerdings extrem empfindlich. Schon kleinste thermische Wechselwirkungen mit der Umgebung lassen sie kollabieren“, sagt Tommaso Calarco vom Forschungszentrum Jülich. „Aus diesem Grund kann man bis jetzt auch nur deutlich weniger Quantenbits im Zustand von Schrödingers Katze realisieren als solche, die unabhängig voneinander existieren.“

Katzenzustände aus dem Quantensimulator

Von unabhängigen Quantenbits können Forscher mittlerweile mehr als 50 in Laborexperimenten kontrollieren. Doch die kurz Qubits genannten Zustände weisen nicht die besonderen Merkmale von Schrödingers Katze auf. Anders dagegen die 20 Qubits, die das Forscherteam nun mithilfe eines programmierbaren Quantensimulators erzeugt hat – Ein Rekordwert, der selbst dann noch gilt, wenn man andere physikalische Ansätze mit optischen Photonen, Ionenfallen oder supraleitenden Schaltkreisen berücksichtigt.

Für die Entwicklung des Experiments hatten sich Forscher von mehreren renommierten Einrichtungen aus verschiedenen Ländern der Welt zusammengeschlossen. Neben den Jülicher Forschern waren Wissenschaftler zahlreicher amerikanischer Spitzenuniversitäten – Harvard, Berkeley, MIT und Caltech – sowie der italienischen Universität Padua beteiligt.

„Qubits im Katzenzustand gelten für die Entwicklung von Quantentechnologien als das höchste Gut“, sagt der Physiker Jian Cui vom Jülicher Peter Grünberg Institut (PGI-8). „Denn in der Überlagerung steckt das Geheimnis der ungeheuren Leistungsfähigkeit, die man sich von zukünftigen Quantencomputern verspricht.“

Schrödingers Katze – optisch nachgestellt

Lichtpulse bilden Gedankenexperiment nach

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18.01.19 - Das Quantenexperiment von der gleichzeitig lebendigen und toten Katze gehört sicherlich zu den bekanntesten physikalischen Gedankenspielen. Generationen von Wissenschaftlern haben mit verschiedenen Modellsystemen versucht die Überlegungen von Erwin Schrödinger experimentell nachzustellen. Am Max-Planck-Institut für Quantenoptik hat man zur Realisierung von Schrödingers Katze nun Lichtpulse verwendet. lesen

20 Qubits für eine Millionen Zustände

Klassische Bits in einem herkömmlichen Rechner haben immer nur einen bestimmten Wert, der sich beispielsweise aus 0 und 1 zusammensetzt. Sie lassen sich daher nur Bit für Bit nacheinander prozessieren. Qubits, die aufgrund des Überlagerungsprinzips mehrere Zustände gleichzeitig annehmen, können dagegen mehrere Werte parallel in einem Schritt speichern und verarbeiten. Entscheidend ist dabei die Anzahl der Qubits.

Mit einer Handvoll Qubits kommt man noch nicht weit. Aber bei 20 Qubits liegt die Zahl der sich überlagernden Zustände bereits bei über einer Million. Und 300 Qubits könnten mehr Zahlen gleichzeitig speichern, als es Teilchen im Universum gibt. Die neue Bestmarke von 20 Qubits kommt diesem Wert nun ein Stückchen näher, und hat damit den seit 2011 bestehenden Rekord von 14 Qubits gebrochen.

20-facher Rydberger

Skizze des Experiments: Rubidiumatome werden mithilfe von Laserstrahlen eingefangen (rot). Ein weiterer zusätzlicher Laser regt die Atome an, bis etwa die Hälfte von ihnen den so genannten Rydberg-Zustand erreicht, bei dem sich die Elektronen weit jenseits des Kerns befinden.
Skizze des Experiments: Rubidiumatome werden mithilfe von Laserstrahlen eingefangen (rot). Ein weiterer zusätzlicher Laser regt die Atome an, bis etwa die Hälfte von ihnen den so genannten Rydberg-Zustand erreicht, bei dem sich die Elektronen weit jenseits des Kerns befinden. (Bild: Forschungszentrum Jülich / Tobias Schlößer)

Für ihr Experiment nutzten die Forscher einen programmierbaren Quantensimulator mit Atomen, die sich im Rydberg-Zustand befinden. Bei diesem Verfahren werden einzelne Atome, in diesem Fall Rubidiumatome, mithilfe von Laserstrahlen eingefangen und nebeneinander in einer Reihe auf ihrem Platz gehalten. Die Technik ist als „optische Pinzette“ bekannt. Ein weiterer zusätzlicher Laser regt die Atome an, bis etwa die Hälfte von ihnen den so genannten Rydberg-Zustand erreicht, bei dem sich die Elektronen weit jenseits des Kerns befinden.

Dieser Prozess ist recht kompliziert und nimmt klassischerweise so viel Zeit in Anspruch, dass der empfindliche Katzenzustand in der Zwischenzeit schon wieder zerfällt. Die Forscher des Jülicher PGI-8 konnten diese Vorbereitungszeit minimieren, indem sie die Art und Weise veränderten, wie der zweite Laser an- und ausgeschaltet wird – und ermöglichten so den neuen Rekord.

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04.03.19 - Diamanten sind nicht nur als Schmuck begehrt, sondern auch von Quantenphysikern. Denn mit künstlich hergestellten Diamanten lassen sich besondere Experimente durchführen. So haben Forscher der Universität Ulm nun den Quantenzustand eines Qubits in Diamanten gemessen. Ein Schritt zu leistungsstarken Quantencomputern. lesen

Aufgeblähte Rubidiumatome

„Wir blähen die Atome praktisch soweit auf, bis ihre Atomhüllen mit den benachbarten Atomen verschmelzen und simultan zwei entgegengesetzte Konfigurationen einnehmen“, erklärt Cui. „Das geht soweit, dass sich die Wellenfunktionen wie bei Schrödingers Katze überlagern und wir einen Zustand nachweisen konnten, der auch als Greenberger-Horne-Zeilinger-Zustand bezeichnet wird.“

Komplettiert wurde der Erfolg für die Quantenforschung durch eine weitere Arbeit einer chinesischen Forschungsgruppe. Den Forschern ist es gelungen, mithilfe von supraleitenden Schaltkreisen 18 Qubits im Greenberger-Horne-Zeilinger-Zustand zu realisieren, was für diesen experimentellen Ansatz ebenfalls einen neuen Rekord darstellt.

Originalpublikationen:

A. Omran, H. Levine, A. Keesling, G. Semeghini, T. T. Wang, S. Ebadi, H. Bernien, A. S. Zibrov, H. Pichler, S. Choi, J. Cui, M. Rossignolo, P. Rembold, S. Montangero, T. Calarco, M. Endres, M. Greiner, V. Vuletić, M. D. Lukin: Generation and manipulation of Schrödinger cat states in Rydberg atom arrays, Science 09 Aug 2019: Vol. 365, Issue 6453, pp. 570-574; DOI: 10.1126/science.aax9743

Chao Song, Kai Xu, Hekang Li, Yu-Ran Zhang, Xu Zhang, Wuxin Liu, Qiujiang Guo, Zhen Wang, Wenhui Ren, Jie Hao, Hui Feng, Heng Fan, Dongning Zheng, Da-Wei Wang, H. Wang, Shi-Yao Zhu: Generation of multicomponent atomic Schrödinger cat states of up to 20 qubits, Science 09 Aug 2019: Vol. 365, Issue 6453, pp. 574-577; DOI: 10.1126/science.aay0600

* Dr. R. Panknin, T. Schlößer, Forschungszentrum Jülich, 52428 Jülich

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