Ein neues Schema für photonische Quantencomputer

Foto des Präparationsaufbaus für den starken, grünen Pumplaser, der die Nichtlinearität der "kohärenten Photonen-Konversation" verstärkt. Bild: IQOQI Wien

Quantencomputer versprechen eine weitaus leistungsstärkere Informationsverarbeitung als bestmögliche klassische Computer. Die tatsächliche Herstellung eines effizienten Quantencomputers ist nach wie vor eine große Herausforderung. Das nun entwickelte, neuartige Schema der "kohärenten Photonen-Konversion" könnte potenziell alle derzeit ungelösten Probleme eines optischen Quantencomputers überwinden. Das internationale Forschungsteam um Anton Zeilinger am Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) an der Universität Wien stellt dieses neue Schema in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift "Nature" vor.

Quantentechnologie basiert auf der Erschließung einzigartiger Quantenphänomene wie der Superposition und der Verschränkung. Einzelne Lichtteilchen, sogenannte Photonen, sind dabei hervorragende Quanteninformationsträger, da sie auf natürliche Art und Weise ideal von ihrer Umgebung isoliert sind. Die auf Photonen basierenden Quantencomputer versprechen darüber hinaus, außerordentlich schnell zu sein. Allerdings sind derzeitige Methoden zum Präparieren, zur Verarbeitung und zur Messung von Photonen nach wie vor ineffizient.

Ein neuartiger Weg für Photonen

"Das neue Schema ermöglicht die kohärente Konversion zwischen unterschiedlichen Photonen-Zuständen und basiert auf der Erhöhung der Nicht-Linearität eines Mediums durch ein starkes Laserfeld. Diese Methode ebnet den Weg zur Lösung der noch offenen Herausforderungen in der optischen Quanteninformations-Verarbeitung", erklärt Sven Ramelow, Co-Autor der aktuellen "Nature"-Publikation. Die deterministische Verdoppelung einzelner Photonen löst etwa das Problem des Präparierens und der Messung, und eine neuartige Form einer Photon-Photon-Wechselwirkung öffnet den Weg für effiziente Quanten-Gatter. Diese neuen Quantenoptik-Werkzeuge, die durch die "kohärente Photonen-Konversion" ermöglicht werden, versprechen, zu einem nicht-linearen optischen Quantencomputer zu führen.

Erste Experimente

In einer ersten Serie von Experimenten mit Photonen demonstrierte die Forschungsgruppe um Anton Zeilinger am Vienna Center for Quantum Science and Technology an der Universität Wien den zentralen, dem Schema zugrunde liegenden Prozess mithilfe von hoch nichtlinearen Glasfasern. Während eine deterministische Umsetzung des Prozesses noch aussteht, legen die Ergebnisse der Autoren nahe, dass dies mit ausgeklügelten optischen Technologien wie hoch nicht-linearen Gläsern und stärkeren Lasern umgesetzt werden kann. Die allgemeine Idee der "kohärenten Photonen-Konversion" lässt sich auch bei verschiedensten anderen physikalischen Systemen wie Atomen oder nano-mechanischen Elementen anwenden.

Internationale Kooperation und Förderung

Diese Arbeit wurde ausgeführt als Kooperation von Wissenschaftern des Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) an der Universität Wien, des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, des National Institute of Informatics und der NTT Basic Research Laboratories (NTT Corporation) in Japan und des Centre for Engineered Quantum Systems an der University of Queensland in Australien. Fördergeber waren Europäischer Forschungsrat (Advanced Grant QIT4QAD), FWF (F4007, Erwin Schrödinger Fellowship, Doktoratskolleg CoQuS W121), Europäische Kommission (QU-ESSENCE und QAP), John Templeton Foundation und teilweise das japanische Programm FIRST sowie das Ontario Ministry of Research and Innovation.

Quelle: Universität Wien