Qubits: auf und nieder, immer wieder

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binary-715786_640Die University of New South Wales UNSW ist weit weg in Sydney. Was ein Team von Wissenschaftlern dort zuwegebrachte, schien auch weit weg. Aber sie haben zwei verschränkte Qubits in einem Siliziumsubstrat geschaffen, und damit den Weg für verlässliche Quantencomputer ein Stück weiter freigemacht (Bild: geralt, pixabay).

Der Artikel bei Gizmag heißt Quantum computers inch closer to reality thanks to entangled qubits in silicon (16.11.): Funktionsfähige Quantencomputer sind noch Jahre entfernt, aber der Fortschritt in diese Richtung beschleunigt sich. Man hat jetzt grundlegende Strukturen in Silizium realisiert, die Quanteninformation für 30 sec speichern konnten. Dabei wurde das Prinzip des "lokalen Realismus" aus der klassischen Physik verletzt, wie es in dem wb-Artikel über Anton Zeilingers Buch Einsteins Spuk für verschränkte Photonen ausführlich beschrieben wird.

Nun ist das also auch für ein Phosphor-Atom in einem Silizium-28-Substrat gelungen, das einen verschränkten Elektronen- und Kernspin hatte. In der Prosa des UNSW-Artikels ist von verschränkten HiFi-Qubits (high-fidelity quantum bits) die Rede, und die Auswirkungen betreffen nicht nur Quantencomputer und Quantenkryptografie, sondern auch Pharmaka-Design, Übernacht-Auslieferungen und Partikelexperimenten.

So vollmundig wird heute gern bei physikalischen Experimenten argumentiert. Was an der Sache wirklich dran ist, scheint die Übertragung des Photonen-Experiments auf ein Phosphor-Atom zu sein, nachdem bereits andere Forscher dasselbe für verschränkte Elektronen realisierten. Auf die Bellsche Ungleichung muss hier nicht weiter eingegangen werden, dazu sei nochmal auf Einsteins Spuk verwiesen. Dort ist der Zusammenbruch des "lokalen Realismus" beschrieben, dem Prinzip der klassischen Physik, wonach beides gelten muss:

  • der Realismus, d.h. das experimentelle Resultat soll durch Eigenschaften der Partikel bestimmt sein und nicht durch die Beobachtung, sowie
  • die Lokalitätsannhahme, nach der die physikalische Situation der Messung am einen Exemplar der verschränkten Partikel nicht vom anderen, entfernten, abhängen kann.

Es fehlt nicht der Hinweis darauf, dass dies die "spukhafte Fernwirkung" ist, die Einstein abgelehnt hat. Der UNSW-Artikel belegt  das mit mit hübscher Prosa: Zwar könne die Verschränkung ohne Verletzung der Bellschen Ungleichung erreicht werden, aber beim Quantencomputer sei die Verletzung wünschenswert. Sie mache die Qubit-Operationen verlässlicher und erlaube mehr Zugriff zu dem Spuk-Verhalten, das der Quantencomputer braucht.

So wird die Leistung der Forscher um Professor Andrea Morello gefeiert. Die Verletzung der Bellschen Ungleichung sei nun erstmals für ein Phosphor-Atom realisiert. Die vier Zustände der verschränkten Spins (up und down, beide up, beide down und die Superposition davon) konnten zuverlässig erzeugt werden.

Dazu mussten die Qubits besonders stark verschränkt werden, quantisiert wurde das auf einer Korrelationsskala, wo klassische Partikel nicht über eine Korrelation von 2 hinauskommen und für verschränkte Partikel die Obergrenze von 2,83 gilt. Der erzielte Wert von 2,70 ist ein Rekord, umzusetzen in 96-97% Zuverlässigkeit.

Jede Unperfektheit lässt die Korrelation drastisch sinken, also war äußerste Präzision nötig. Man habe einige der besten Qubits der Welt erzeugt, so Professor Morello, und man könne sie mit nahezu perfekter Akkuratesse handhaben.

Und das in einem Standard-Silizium-Chip, der winzige Strukturen – und demnach das Potential für viele Qubits – enthält. Allerdings muss man immer noch mit Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt operieren und in einem starken Magnetfeld. Macht nix, sagt der Artikel, Quantencomputer sollen ja nicht die traditionellen Computer ersetzen, also kein Problem.

Weitere Versuche sollen nun die Schalter realisieren, die man mit Elektronen-Qubits zu bauen hofft. Dann geht's um längere Memory-Stabilität und fehlersichere Architektur für mehr als nur 2 Qubits. Der aktuelle Zustand erlaubt das nicht, weil Elektron und Kern vom selben Atom genutzt wurden. In Zukunft sollen verschiedene Atome verschränkt werden, und es soll bis in eine Entfernung von 1 cm reichen.

Man habe schon viel gelernt, so der Artikel, und es gehe weiter. Wenn man viele Atome benutzen kann, könne man sie paarweise oder in größeren Gruppen verschränken. Je mehr Spins verschränkt werden, desto mächtiger werde der Computer. Das Ziel für die nächsten 4-5 Jahre seien 10 Qubit-Quantencomputer. Bis dahin sieht sich Professor Morello durch das Standard-Silizium im Vorteil gegenüber Konkurrenten.

(Die Überschrift erlaubt sich eine freie Übersetzung der Spinzustände up und down)

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