Physiker des California Institute of Technology (Caltech) haben einen bedeutenden Durchbruch erzielt, indem sie das größte jemals gebaute Qubit-Netzwerk geschaffen haben, das aus 6.100 neutralen Atomen besteht – also ebenso vielen Qubits. Diese Leistung übertrifft frühere Systeme, die sich auf einige hundert Qubits beschränkten, bei weitem. Das Team verwendete optische Pinzetten, ultraprazise Laserstrahlen, um individuell Cäsiumatome in einer Vakuumkammer einzufangen. Diese Methode ermöglicht es, jedes Qubit mit bemerkenswerter Präzision zu manipulieren und gleichzeitig seine Quanteneigenschaften zu erhalten.
Bild zeigt 6.100 Cäsiumatome, die durch fokussierte Laserstrahlen, sogenannte optische Pinzetten, eingefangen sind. Der Durchmesser des Kreises beträgt etwa einen Millimeter.
Bildnachweis: Caltech/Endres Lab
Die Qualität der Qubits erwies sich trotz ihrer beeindruckenden Anzahl als außergewöhnlich. Die Forscher hielten diese Atome für etwa 13 Sekunden in einem Zustand der Quantenüberlagerung, eine Zeitspanne, die fast zehnmal länger ist als frühere Leistungen. Diese Überlagerung ermöglicht es den Qubits, gleichzeitig in mehreren Zuständen zu existieren, eine wesentliche Eigenschaft für Quantenberechnungen. Die individuelle Manipulation der Qubits erreichte eine Präzisionsrate von 99,98 %, was zeigt, dass es möglich ist, Quantität und Qualität in diesen Systemen zu vereinbaren.
Das Team bewies auch, dass es die Atome über Hunderte von Mikrometern bewegen konnte, während ihre Quantenkohärenz erhalten blieb. Diese Fähigkeit, Qubits zu transportieren, ohne ihren Zustand zu stören, ist entscheidend für zukünftige Anwendungen. Sie ermöglicht insbesondere, das Netzwerk dynamisch neu zu organisieren, um Operationen zu optimieren und die Fehlerkorrektur zu erleichtern – eine Funktionalität, die diesen Ansatz von anderen Quantenplattformen unterscheidet.
Kammer mit den 6.100 durch Laser eingefangenen Atomen in einem Ultrahochvakuum.
Bildnachweis: Caltech/Lance Hayashida
Die nächsten Schritte zielen darauf ab, Quantenverschränkungsverbindungen zwischen den Qubits herzustellen, ein Phänomen, bei dem Teilchen korreliert werden und sich wie ein einziges System verhalten. Diese Verschränkung ist unerlässlich, um vollständige Quantenberechnungen durchzuführen und die Leistungsfähigkeit dieser Maschinen voll auszuschöpfen. Sie ebnet den Weg für Simulationen von Naturphänomenen, die derzeit unerreichbar sind, und könnte unser Verständnis des Universums auf Quantenebene revolutionieren.
Die Quantenüberlagerung
Die Quantenüberlagerung ist ein grundlegendes Prinzip der Quantenmechanik, das es einem Teilchen ermöglicht, in mehreren Zuständen gleichzeitig zu existieren. Im Gegensatz zu klassischen Bits, die nur 0 oder 1 sein können, repräsentiert ein Qubit in Überlagerung eine Kombination dieser beiden Zustände. Diese Eigenschaft wird oft durch die berühmte Schrödingers Katze veranschaulicht, die gleichzeitig lebendig und tot ist, bis sie beobachtet wird.
Die Dauer der Überlagerung, genannt Kohärenzzeit, ist ein kritischer Parameter für Quantencomputer. Je länger sie ist, desto komplexere Berechnungen können durchgeführt werden, bevor die Qubits ihre Quanteneigenschaften verlieren. Die in diesem Experiment erreichten 13 Sekunden stellen eine signifikante Verbesserung gegenüber früheren Systemen dar.
Diese Überlagerung ermöglicht es Quantencomputern, gleichzeitig viele Lösungen für ein Problem zu erkunden, was bestimmte Arten von Berechnungen erheblich beschleunigt. Sie ist entscheidend für Anwendungen wie die Faktorisierung großer Zahlen oder die Simulation von Molekülen in der Quantenchemie.
Die Beherrschung der Überlagerung eröffnet auch Perspektiven für die Erforschung der Grundlagen der Quantenphysik selbst und ermöglicht es Forschern, Theorien über die Grenze zwischen der Quanten- und der klassischen Welt zu testen.