Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ein wichtiger Schritt in Richtung Quantencomputer

23.08.2011
Forscher verschränken erstmals Ionen mittels Mikrowellen

Einer Forschergruppe am National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder, USA, ist es gelungen, Ionen mittels Mikrowellen für den Einsatz in einem Quantencomputer zu verschränken. Wie das Wissenschaftsmagazin Nature berichtet, haben die Wissenschaftler damit eine wichtige Methode für die mögliche Realisierung eines integrierten Quantencomputers mit Ionen entwickelt (Microwave quantum logic gates for trapped ions, Nature 476, 181-184, 2011, doi:10.1038/nature10290).


Experimenteller Aufbau. Die "Chip Falle" befindet sich in der Glasküvette in der Mitte des Bildes und ist mit grünem Licht angestrahlt. UV-Laserstrahlen zur Kühlung und Detektion der Ionen sind in blau visualisiert (normalerweise unsichtbar). Foto: Yves Colombo, National Institute of Standards and Technology

Christian Ospelkaus, seit Dezember 2010 Professor im Exzellenzcluster QUEST (Centre for Quantum Engineering and Space-Time Research) an der Leibniz Universität Hannover und an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig, hat das Experiment mit seinen Kollegen am NIST durchgeführt.

Verschränkung ist eine faszinierende Konsequenz der Quantenmechanik. In unserem Alltag gilt es als selbstverständlich, dass zum Beispiel zwei gemeinsam geworfene Münzen unabhängig voneinander jede für sich zufällig „Kopf oder Zahl“ zeigen. In der Welt der Quantenmechanik könnten die beiden Münzen nun so manipuliert werden, dass, wenn eine Münze Zahl oder Kopf zeigt, die andere jeweils genau das gleiche Ergebnis liefert, und umgekehrt! Man spricht dann von einer Verschränkung der beiden Münzen oder – wenn man „Kopf oder Zahl“ wie in einem Computer mit den Werten Null und Eins identifiziert – auch von einem sogenannten verschränkenden Quantenlogikgatter. Solche verschränkenden Gatteroperationen sind ein wesentlicher Bestandteil eines Quantencomputers, der eines Tages bestimmte Probleme in Physik, Mathematik und Kryptographie (Ver- und Entschlüsselung) wesentlich schneller lösen könnte als der schnellste herkömmliche Supercomputer.

Ionen, also einzelne elektrisch geladene Atome, sind eines der experimentell am weitesten fortgeschrittenen Quantensysteme auf dem Weg zu einem realistischen Quantencomputer. In einer Reihe von grundlegenden Experimenten, die am NIST und in anderen Gruppen weltweit durchgeführt worden sind, konnten Ionen als Quantenbits, abgekürzt Qubits, mit Hilfe von Laserstrahlen bereits erfolgreich verschränkt werden. Die NIST Forschergruppe hat nun gezeigt, dass man solche Operationen nicht nur mit einem komplexen, raumfüllenden Lasersystem realisieren kann, sondern auch mit miniaturisierter Mikrowellenelektronik, wie sie zum Beispiel in Mobiltelefonen Verwendung findet. Um die Verschränkung zu erzeugen, integrieren die Physiker die Mikrowellenquelle in die Elektroden einer so genannten Chipfalle, einer mikroskopischen chipartigen Struktur zur Speicherung und Manipulation der Ionen in einer Vakuumzelle. „Weil Mikrowellenfelder unkomplizierter und in einer einfacher kontrollierbaren Weise erzeugt werden können als Laserstrahlen, könnte diese Methode uns helfen, leistungsfähigere und fehlertolerantere Experimente zu bauen“, erklärt Prof. Christian Ospelkaus.

In ihrem Experiment haben die Forscher die Erfolgsquote bei der Verschränkung charakterisiert und gezeigt, dass die Verschränkung der Ionen mit Mikrowellen in 76 Prozent aller Fälle funktioniert. Die bereits seit mehreren Jahren in der Forschung verwendeten laserbasierten Quantenlogikgatter sind mit einer Quote von 99,3 Prozent derzeit noch besser als die Gatter auf Basis von Mikrowellen. Das neue Experiment hat aber einen ganz entscheidenden Vorteil: Es beansprucht nur ungefähr ein Zehntel des Platzes eines Laser-Experiments und ist auf Basis dieses Pionierexperimentes noch deutlich optimierbar. In ihrer Veröffentlichung zeigt die Forschergruppe eine Reihe von Verbesserungsmöglichkeiten auf, welche die Erfolgsquote weiter steigern könnte. „Dass wir die Kontrolle der Qubits mit Hilfe der Mikrowellentechnik in die Fallenstruktur integriert haben und dadurch den Aufbau eines riesigen Lasersystems vermieden haben, ist ein wichtiger Schritt. In Zukunft könnten so durch diese Methode mehr und mehr Qubits verarbeiten werden“, so Ospelkaus weiter.

Mit seiner neuen Forschungsgruppe im Exzellenzcluster QUEST entwickelt Christian Ospelkaus ein mikroskopisches experimentelles Modellsystem, das zum besseren Verständnis von Quantenvielteilchensystemen beitragen soll. Die Mikrowellen-Quantenlogiktechniken, die er am NIST entwickelt hat, sind dabei ein wichtiger Baustein. Die Gruppe beschäftigt sich auch mit Anwendungen für fundamentale Präzisionsmessungen.

Die Forschungsarbeiten am NIST wurden unterstützt von der United States Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARPA), Office of Naval Research (ONR), der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), der National Security Agency (NSA) und Sandia National Laboratories.

Hinweis an die Redaktion:
Für weitere Informationen stehen Ihnen Prof. Dr. Christian Ospelkaus unter Telefon +49 511 762 17644 oder per E-Mail unter christian.ospelkaus@iqo.uni-hannover.de sowie Dr. Ude Cieluch, QUEST Kommunikation, unter Telefon +49 511 762 17481 oder per E-Mail unter ude.cieluch@quest.uni-hannover.de gerne zur Verfügung.

Der Exzellenzcluster QUEST (Centre for Quantum Engineering and Space-Time-Research) wird seit November 2007 innerhalb der Exzellenzinitiative von Bund und Ländern gefördert. Die Hauptforschungsbereiche des Clusters sind das Quantenengineering und die Raum-Zeit-Forschung. Beteiligt sind sechs Institute der Leibniz Universität Hannover sowie die folgenden externen Partner: Das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) mit dem Gravitationswellendetektor GEO600, das Laser Zentrum Hannover e.V., die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig und das Zentrum für Angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) in Bremen.

Jessica Lumme | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-hannover.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Optische Technologien für schnellere Computer / „Licht“ mit Wespentaille
16.08.2017 | Universität Duisburg-Essen

nachricht Sternenstaub reist häufiger in Meteoriten mit als gedacht
15.08.2017 | Max-Planck-Institut für Chemie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Im Focus: Exotische Quantenzustände: Physiker erzeugen erstmals optische „Töpfe" für ein Super-Photon

Physikern der Universität Bonn ist es gelungen, optische Mulden und komplexere Muster zu erzeugen, in die das Licht eines Bose-Einstein-Kondensates fließt. Die Herstellung solch sehr verlustarmer Strukturen für Licht ist eine Voraussetzung für komplexe Schaltkreise für Licht, beispielsweise für die Quanteninformationsverarbeitung einer neuen Computergeneration. Die Wissenschaftler stellen nun ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Photonics“ vor.

Lichtteilchen (Photonen) kommen als winzige, unteilbare Portionen vor. Viele Tausend dieser Licht-Portionen lassen sich zu einem einzigen Super-Photon...

Im Focus: Exotic quantum states made from light: Physicists create optical “wells” for a super-photon

Physicists at the University of Bonn have managed to create optical hollows and more complex patterns into which the light of a Bose-Einstein condensate flows. The creation of such highly low-loss structures for light is a prerequisite for complex light circuits, such as for quantum information processing for a new generation of computers. The researchers are now presenting their results in the journal Nature Photonics.

Light particles (photons) occur as tiny, indivisible portions. Many thousands of these light portions can be merged to form a single super-photon if they are...

Im Focus: Wissenschaftler beleuchten den „anderen Hochtemperatur-Supraleiter“

Eine von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) geleitete Studie zeigt, dass Supraleitung und Ladungsdichtewellen in Verbindungen der wenig untersuchten Familie der Bismutate koexistieren können.

Diese Beobachtung eröffnet neue Perspektiven für ein vertieftes Verständnis des Phänomens der Hochtemperatur-Supraleitung, ein Thema, welches die Forschung der...

Im Focus: Tests der Quantenmechanik mit massiven Teilchen

Quantenmechanische Teilchen können sich wie Wellen verhalten und mehrere Wege gleichzeitig nehmen, um an ihr Ziel zu gelangen. Dieses Prinzip basiert auf Borns Regel, einem Grundpfeiler der Quantenmechanik; eine mögliche Abweichung hätte weitreichende Folgen und könnte ein Indikator für neue Phänomene in der Physik sein. WissenschafterInnen der Universität Wien und Tel Aviv haben nun diese Regel explizit mit Materiewellen überprüft, indem sie massive Teilchen an einer Kombination aus Einzel-, Doppel- und Dreifachspalten interferierten. Die Analyse bestätigt den Formalismus der etablierten Quantenmechanik und wurde im Journal "Science Advances" publiziert.

Die Quantenmechanik beschreibt sehr erfolgreich das Verhalten von Partikeln auf den kleinsten Masse- und Längenskalen. Die offensichtliche Unvereinbarkeit...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Eröffnung der INC.worX-Erlebniswelt während der Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung 2017

16.08.2017 | Veranstaltungen

Sensibilisierungskampagne zu Pilzinfektionen

15.08.2017 | Veranstaltungen

Anbausysteme im Wandel: Europäische Ackerbaubetriebe müssen sich anpassen

15.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Neue Einblicke in die Welt der Trypanosomen

16.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Maschinensteuerung an Anwender: Intelligentes System für mobile Endgeräte in der Fertigung

16.08.2017 | Informationstechnologie

Komfortable Software für die Genomanalyse

16.08.2017 | Informationstechnologie