Gezielter Verschränkungstausch: Verfahren für Quantencomputer erstmals erfolgreich umgesetzt

„Der Transfer von Verschränkung – auch Entanglement Swapping genannt – ist ein wichtiges Verfahren für die Quanteninformationsverarbeitung. Es wurde im Labor schon mehrfach demonstriert“, erklären Mark Riebe und Markus Hennrich vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck.

„Uns ist es nun aber erstmals gelungen, diese Verschränkungsübertragung gezielt durchzuführen, wir nennen dies einen deterministischen Verschränkungstausch.“ Von Verschränkung spricht man, wenn zwei einzelne Quantenobjekte auf bestimmte Weise miteinander verbunden sind. Die Innsbrucker Forscher reihen dafür vier Ionen in einer elektromagnetischen Falle auf und präparieren sie gezielt mit Laserstrahlen. Zunächst werden jeweils zwei Ionen miteinander verschränkt.

An jeweils einem Ion der beiden Paare wird dann eine sogenannte „Bell-Messung“ durchgeführt. Durch die Messung werden die zunächst nicht miteinander verschränkten Ionen nun verschränkt. Je nach Messergebnis werden die Ionen gezielt manipuliert um einen bestimmten verschränkten Zustand zu erzeugen. „Die quantenmechanische Verschränkung kann so übertragen werden“, machen Riebe und Hennrich deutlich. „Es werden dabei zwei Teilchen miteinander verschränkt, die keine gemeinsame Vergangenheit haben.“

Bausteine des Quantencomputers effizient vernetzen

Anwendung kann dieses Verfahren beispielsweise in zukünftigen Quantencomputern finden, wo die Verschränkung dazu verwendet wird, um effizienter zu rechnen als mit herkömmlichen Computern. Denn mit der Übertragung lässt sich die Verschränkung von zwei Teilchen mit hoher Güte auch auf Distanz erzeugen. „Die verschränkten Teilchen können von einander getrennt sein und werden dennoch über eine – wie Einstein es nannte – 'spukhafte Fernwirkung' miteinander verbunden“, erklärt der Leiter der Forschungsgruppe, Rainer Blatt. „Mit anderen Methoden ist es sehr schwierig, verschränkte Teilchen voneinander zu trennen ohne die Verschränkung zu verlieren.“ Wichtig wird der Verschränkungstausch vor allem bei der nächsten Generation von Quantencomputern. Die verschiedenen Bausteine eines Quantencomputers könnten dann auf kleinen Mikrochips aufgebaut und die Teilchen dabei zwischen Rechen-, Speicher- und Übertragungselementen hin und her verschoben werden. „Das funktioniert allerdings nur, wenn die einzelnen Ionen als Träger der Qubits auch gezielt miteinander verschränkt und getrennt werden können“, betont Rainer Blatt. „Dieser Nachweis ist uns nun experimentell erstmals gelungen. Auf diese Weise können in Zukunft die verschiedenen Bereiche auf einem Quantencomputerchip effizient miteinander vernetzt werden.“

Finanziell unterstützt wurde dieses Forschungsprojekt vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF im Rahmen des Spezialforschungsbereichs „Kohärente Quantensysteme“, der Europäischen Union, und des Instituts für Quanteninformation GmbH.

Publikation: Deterministic entanglement swapping with an ion-trap quantum computer, M. Riebe, T. Monz, K. Kim, A. S. Villar, P. Schindler, M. Chwalla, M. Hennrich, and R. Blatt, Nature Physics, Advance Online Publication am 26. Oktober 2008.

Rückfragehinweis:
Dr. Markus Hennrich
Institut für Experimentalphysik, Universität Innsbruck
Technikerstrasse 25, A-6020 Innsbruck
Tel.: +43 512 507-6398
E-Mail: markus.hennrich@uibk.ac.at