Optische Verdrahtung für grosse Quantencomputer

Es ist nicht einfach, mit einem Laserpointer während einer Präsentation einen bestimmten Punkt auf einer Leinwand zu treffen – schon das kleinste nervöse Zittern in der Hand wird auf dem weit entfernten Schirm zu einer riesigen Krakelei. Nun stelle man sich vor, man müsste das mit mehreren Laserpointern gleichzeitig tun. Genau dasselbe Problem haben Physiker, die mit Hilfe von einzelnen gefangenen Atomen Quantencomputer bauen wollen. Auch sie müssen mit Laserstrahlen – hunderten oder gar tausenden in derselben Apparatur – über mehrere Meter so genau zielen, dass die nur wenige Mikrometer grossen Bereiche getroffen werden, in denen sich die Atome befinden. Jede ungewollte Vibration in der Apparatur stört den Betrieb des Quantencomputers empfindlich. 

An der ETH Zürich haben nun Jonathan Home und seine Mitarbeiter am Institut für Quantenelektronik eine neue Methode demonstriert, mit der mehrere Laserstrahlen in einem Chip präzise zu den richtigen Stellen geleitet werden können, und das auf so stabile Weise, dass sich sogar empfindlichste Quantenoperationen mit den Atomen ausführen lassen.

Quantencomputer zu bauen ist seit über dreissig Jahren ein ehrgeiziges Ziel von Physikern. In elektrischen Feldern gefangene Ionen, also elektrisch geladene Atome, haben sich dabei als ideale Kandidaten für die Quanten-​Bits oder Qubits erwiesen, mit denen Quantencomputer rechnen. Bislang konnten auf diese Weise Mini-​Computer mit etwa einem Dutzend Qubits realisiert werden. «Will man allerdings Quantencomputer mit mehreren tausend Qubits bauen, wie man sie wahrscheinlich für praktisch relevante Anwendungen brauchen wird, so bestehen bei heutigen Systemen einige grosse Hürden», sagt Karan Mehta, Postdoc in Homes Labor und Erstautor der jetzt im Fachjournal «Nature» erschienenen Studie. 

Konkret geht es darum, wie man Laserstrahlen über mehrere Meter vom Laser in eine Vakuumapparatur und schliesslich punktgenau in einen Kryostaten leitet, in dem die Ionenfallen auf wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt werden, um thermische Störungen zu minimieren.