15 Jun Quantenschaltkreise mit Licht verbinden
Quantencomputer versprechen Lösungen für schwierige Aufgaben, etwa in den Materialwissenschaften und der Kryptografie. Aufgrund der der erforderlichen Fehlerkorrektur sind dazu wahrscheinlich Millionen hochwertiger Qubits nötig. Derzeit erreicht ihre Zahl in supraleitenden Prozessoren einige Hundert.
Die Vorteile dieser Technologie liegen in der Rechengeschwindigkeit und ihrer Kompatibilität mit der Halbleiterfertigung. Allerdings erfordert ihr Betrieb ultratiefe Temperaturen; dies begrenzt die Größe der Prozessoren und verhindert jeden physischen Zugriff, sobald sie abgekühlt sind.
Ein modularer Quantencomputer mit mehreren separat gekühlten Prozessoren könnte dieses Problem lösen. Einzelne Mikrowellenphotonen sind jedoch nicht geeignet, um bei Raumtemperatur zwischen den Prozessoren übertragen zu werden. Die Wärmeenergie würde die Photonen und ihre Quanteneigenschaften, wie Verschränkung, stören.
Forschern am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) ist nun gemeinsam mit Wissenschaftlern der TU Wien und der Technischen Universität München ein wichtiger Schritt gelungen: Sie verschränkten niederenergetische Mikrowellen- mit hochenergetischen optischen Photonen und schufen somit die Grundlage, um supraleitende Quantencomputer über Verbindungen bei Raumtemperatur zusammenzuschalten.
Qubits sind die grundlegenden Informationseinheiten von Quantencomputern. Sie verfügen über einzigartige Eigenschaften wie Verschränkung. Verschränkung ist für Quantencomputer wichtig, weil sie ihnen neue Arten von Berechnungen ermöglicht.
Bild: Mark Belan/ISTA
Das Rauschen wegkühlen
Postdoktorand Rishabh Sahu erklärt: „Ein großes Problem für jedes Qubit ist das Rauschen. Eine der Hauptquellen ist die Wärmeenergie des Materials, aus dem das Qubit besteht.“ Um ihre Quanteneigenschaften zu bewahren, müssen die Qubits eines Quantencomputers daher von der Umgebung isoliert, auf extrem niedrige Temperaturen gekühlt und in einem Vakuum gehalten werden.
Bei supraleitenden Qubits geschieht dies in einem sogenannten Dilution Refrigerator. „Wenn ein Dilution Refrigerator nicht ausreicht, um mehr als tausend supraleitende Qubits auf einmal zu kühlen, müssen wir mehrere kleinere Quantencomputer miteinander verbinden“, erklärt Postdoc Liu Qiu. „Wir bräuchten ein Quantennetzwerk.“ Die Verbindung zweier supraleitender Quantencomputer mit jeweils einem eigenen Dilution Refrigerator ist aber nicht einfach mit einem elektrischen Kabel möglich.
Supraleitende Qubits interagieren mittels Mikrowellenphotonen, die äußerst sensibel auf Wärme reagieren und in einem Kabel außerhalb des Dilution Refrigerators unbrauchbar wären. Deshalb wollen die Forscher optische Photonen verwenden, um Quantencomputer miteinander zu vernetzen. Qiu erklärt: „Die Herausforderung bestand darin, die Mikrowellen- mit den optischen Photonen interagieren zu lassen und sie zu verschränken.“
Hierfür verwendeten die Forscher einen optischen Resonator aus einem nichtlinearen Kristall, der seine optischen Eigenschaften unter Einfluss eines elektrischen Felds ändert.
Sahu und Qiu nutzten einen Laser, um Milliarden optischer Photonen für den Bruchteil einer Mikrosekunde in den Kristall zu schicken. Dort spaltet sich ein optisches Photon in ein Paar verschränkter Photonen auf: ein optisches mit etwas geringerer Energie und ein Mikrowellenphoton von sehr viel weniger Energie.
Das Experiment mit dem Dilution Refrigerator, dem supraleitenden Hohlraum und dem elektrooptischen Kristall darin. Bild: Mark Belan/ISTA
Verschränkung bestätigt
„Der Durchbruch besteht darin, dass die beiden Photonen, die das Gerät verlassen – das optische und das Mikrowellenphoton – verschränkt sind“, erklärt Qiu. „Dies wurde durch die Messung von Korrelationen zwischen den Quantenfluktuationen der elektromagnetischen Felder der beiden Photonen bestätigt, die stärker sind, als durch die klassische Physik erklärt werden kann.“
„Wir sind nun die ersten, die Photonen mit so unterschiedlichen Energieskalen verschränken konnten“, fügt Gruppenleiter Johannes Fink hinzu. „Dies ist ein wichtiger Schritt zum Aufbau eines Quantennetzwerks und auch für andere Quantentechnologien, wie zum Beispiel quantenverstärkte Messtechnologien.“
Projektförderung
Diese Projekt wurde vom Europäischen Forschungsrat (Grant Nr. 758053, ERC StG QUNNECT), dem Horizon 2020 Forschungs- und Innovationsprogramm der Europäischen Union (Grant Nr. 899354, FETopen SuperQuLAN; Grant Nr. 862644, FETopen QUARTET; Marie Sklodowska-Curie Grant Nr. 754411), dem ISTFELLOW Programm, der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und dem Österreichischen Wissenschaftsfonds (FWF) durch BeyondC (Grant Nr. F7105) unterstützt.
Originalpublikation
[R. Sahu, L. Qiu, W. Hease, G. Arnold, Y. Minoguchi, P. Rabl, J. M. Fink: Entangling microwaves with light; Science, 2023, DOI: 10.1126/science.adg3812
Quelle: www.ist.ac.at
Bild: Eli Krantz, Krantz NanoArt
