08 Apr. Quantengate nutzt vier Zustände pro Teilchen
Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung der TU Wien demonstriert ein photonisches Quantengatter, das mit vier Zuständen je Photon arbeitet. Damit erweitert der Ansatz die bisher üblichen zweistufigen Qubit-Konzepte zu höherdimensionalen Qudits und ermöglicht kompaktere sowie potenziell stabilere Quantenoperationen.
Die Arbeit, veröffentlicht in Nature Photonics, zeigt erstmals ein logisches Gatter mit zwei Photonen, die jeweils in einer Überlagerung aus vier Zuständen vorliegen. Das Verfahren beruht auf einem heraldierten Protokoll, bei dem sich der Erfolg einer Operation unmittelbar überprüfen lässt.
Von Qubits zu Qudits
Klassische Rechner arbeiten mit binären Zuständen. Quantencomputer nutzen Überlagerungen dieser Zustände, wodurch ein Qubit gleichzeitig 0 und 1 annehmen kann. Das zugrunde liegende Prinzip lässt sich auf mehr als zwei Zustände erweitern. In diesem Fall spricht man von Qudits, die mehrere Basiszustände gleichzeitig kombinieren.
Forschende der TU Wien entwickelten ein theoretisches Konzept zur Verarbeitung solcher höherdimensionalen Zustände; ein Partnerteam aus China setzte dieses Konzept experimentell um. Im Zentrum steht ein photonisches Gatter, das gezielt Verschränkung erzeugt und wieder auflöst.
Übliche photonische Experimente nutzen die Polarisation als zweidimensionale Größe. Der neue Ansatz verwendet stattdessen die räumliche Wellenform des Photons, die mit verschiedenen Drehimpulszuständen verknüpft ist. Diese Freiheitsgrade erlauben eine größere Zahl unterscheidbarer Zustände.
Vierdimensionale Zustandsräume mit Photonen
Das Team realisierte ein Gatter mit zwei Photonen, die jeweils vier Zustände tragen. Beide Teilchen lassen sich in einen verschränkten Zustand überführen oder wieder separieren. Solche Operationen bilden die Grundlage für Rechenprozesse in optischen Quantenarchitekturen. Das heraldische Verfahren liefert eine direkte Rückmeldung über den Erfolg der Operation; fehlgeschlagene Prozesse können verworfen und wiederholt werden, was für praktische Anwendungen relevant ist.
Höherdimensionale Zustände erhöhen die Informationsdichte pro Teilchen. Somit sinkt die Zahl der für eine gegebene Rechenaufgabe benötigten Photonen, und dies wiederum wirkt sich auf Skalierbarkeit und Fehlertoleranz aus.
Für die Photonik eröffnet der Ansatz neue Perspektiven in der Quanteninformationsverarbeitung. Photonische Plattformen gelten als vielversprechend für verteilte Quantenkommunikation und integrierte optische Rechensysteme. Die Erweiterung auf Qudits soll bestehende Konzepte ergänzen und deren Effizienz steigern.
Höherdimensionale Quantenzustände bieten Vorteile bei der Fehlerkorrektur und beim Ressourcenbedarf. In photonischen Architekturen lassen sich mehrere Freiheitsgrade kombinieren, etwa Polarisation und Drehimpuls. Das erweitert den verfügbaren Zustandsraum ohne zusätzliche Teilchen. Für experimentelle Umsetzungen steigt jedoch der Aufwand für Kontrolle und Auslese. Präzise optische Komponenten und stabile Interferometrie bleiben wichtige Voraussetzungen dafür. Fortschritte in integrierter Photonik und adaptiver Optik könnten diese Hürden verringern.
„Es ist nun erstmals gelungen, ein logisches Quantengatter herzustellen, das mit zwei Photonen arbeitet, die sich jeweils in einer Kombination von vier verschiedenen Zuständen befinden“, sagt Nicolai Friis vom Atominstitut der TU Wien. „Wir können die beiden Photonen verschränken – und es handelt sich um ein heraldiertes Protokoll, das bedeutet, dass wir nach der Quantenoperation genau feststellen können, ob sie funktioniert hat oder nicht. Wenn nicht, kann man die Operation einfach wiederholen. Das ist genau, was man für Quantenoperationen in der Praxis braucht.“
Der neue Ansatz soll Quanteninformationstechnologie in vielen Bereichen besser, leistungsfähiger und stabiler machen. „Wir brauchen weniger Teilchen, um dieselbe Menge an Quanteninformation zu speichern“, erklärt Professor Marcus Huber (ebenfalls vom Atominstitut der TU Wien). „Das hat große Vorteile, auch in Hinblick auf die Verlässlichkeit der Quantenoperationen.“
Quelle: www.tuwien.at
Bilder: Alexander Rommel / TU Wien
Bild 1: Quantengate: Photonische Zustände mit mehreren Freiheitsgraden ermöglichen höherdimensionale Quantenoperationen.
Bild 2: Verschieben die Grenzen des Quantencomputing: Marcus Huber (links) und Nicolai Friis vom Atominstitut der Technischen Universität Wien.
Originalveröffentlichung
[Z.-F. Liu et al.: Heralded High-Dimensional Photon–Photon Quantum Gate, Nature Photonics 2026, DOI 10.1038/s41566-026-01846-x]