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Als "Qudit" versteht man eine Erweiterung der grundlegenden Recheneinheit von Quantencomputern - dem "Quantenbit" oder "Qubit". Die Idee zum "Quantum digit" besteht darin, es noch mehr als "nur" Überlagerungszustände zwischen zwei Einheiten einnehmen zu lassen. In den vergangenen Jahren kam in seiner Annäherung an das viel-dimensionale Qudit u.a. schon ein Team um den Experimentalphysiker Martin Ringbauer von der Universität Innsbruck wichtige Schritte weiter. Die Gruppe wartete mit gespeicherten Kalziumionen auf, die gleich acht verschiedene Quantenzustände haben können.
Der Schlüssel zur Umsetzung liegt darin, diese verschiedenen Zustände auch gezielt herzustellen und zu kontrollieren. Was bei Atomen recht gut klappt, ist bei Lichtteilchen (Photonen) ein ganzes Stück schwieriger, erklärte Nicolai Friis vom Atominstitut der Technischen Universität (TU) Wien gegenüber der APA. Es braucht nämlich nicht nur ein Photon in vielfältigen Quantenzuständen, sondern für einen sinnvoll funktionierenden Quantenrechner mehrere Qudits, die man quantenmechanisch miteinander verknüpfen kann.
Die erstaunlichen Abläufe in der Quantenphysik erlauben nämlich eine als "Verschränkung" bekannte Art der Wechselwirkung zwischen Teilchen. Ist diese Verbindung hergestellt, verhalten sich die Partnerteilchen mehr oder weniger gleich. Zwei so präparierte Photonen würden dann die gleiche Eigenschaft an den Tag legen, egal wo sie sich befinden. Im Fall der Qudits erhöht sich die Anzahl der zugleich auftretenden Eigenschaften gegenüber den Qubits stark.
Das Problem dabei ist, dass sich Photonenpaare "nicht gerne" miteinander auf diese hochdimensionale Art zusammenspannen lassen, wie es Friis ausdrückte. Es brauche also geeignete "verschränkende Quanten-Gatter". Im Fachjournal "Nature Photonics" stellte ein Team um Hui-Tian Wang von der Nanjing University in China jetzt einen solchen Aufbau vor, der auf Basis von Überlegungen von Friis und Marcus Huber (ebenfalls TU Wien) realisiert wurde. Die Gruppe aus China ist tatsächlich die erste, die dieses technisch schwierige Unterfangen mit "Finesse und Einfallsreichtum" lösen konnte, so Friis.
Der besondere Kniff dabei ist, dass bei dieser Herangehensweise die in verschiedenen Quantenzuständen gleichzeitig befindlichen Photonenpaare - vulgo Qudits - auch noch mehr oder weniger selbst darüber Auskunft geben, ob die komplizierte Übung auch tatsächlich gelungen ist. Das liegt daran, dass immer vier Photonen in den ausgeklügelten Aufbau geschickt werden. Zu jedem Qudit-Paar gibt es auch noch zwei Hilfsphotonen. Nach dem Durchlauf des Quartetts werden am Ende des Aufbaus zwei Lichtteilchen gemessen. Kommt bei der Messung ein bestimmtes Ergebnis heraus, "weiß man, dass für die zwei übrigen Photonen, die den Aufbau wieder verlassen, nun erfolgreich das Quanten-Gatter ausgeführt wurde. Man spricht hier von 'Heralding'" - angelehnt an den alten Begriff "Herald" für den Überbringer einer Botschaft, so Friis.
Dass so etwas nun - neben den Kalziumionen der Innsbrucker Kollegen, die für die Wiener Gruppe auch wichtige Kooperationspartner sind - auch mit Photonen gelungen ist, bedeutet für die Forschenden, eine weitere "Plattform" für die Entwicklung von Quantencomputern zur Verfügung zu haben, die mit hochdimensionalen Informationsträgern arbeiten. Für Friis kristallisiert sich immer weiter heraus, dass ein leistungsfähiger Quantenrechner bzw. ein Quanten-Netzwerk mehrere technische Herangehensweisen in sich vereinen wird müssen. Als Mittelsmänner zwischen den Plattformen "kommen im Grunde nur Photonen in Frage, denn nur sie lassen sich relativ einfach fehlerfrei über längere Strecken übertragen". Der neue Aufbau könne als wichtiges "Bindeglied" fungieren, meint der Physiker.
WIEN - ÖSTERREICH: FOTO: APA/APA/TU Wien
