Aufrechterhaltung der Kohärenz für bessere Anwendungen der Quanteninformation
Da das mooresche Gesetz bald an seine Grenzen stößt, sind alle Augen auf die Quanteninformationstechnologie gerichtet. Wir sind nicht weit davon entfernt: Es gibt bereits Quantenarchitekturen wie eingefangene Ionen, Farbdefekte in Kristallen und Rydberg-Atome. Diese Architekturen können zur Realisierung von Quanteninformationsanwendungen verwendet werden. Das Prinzip ist einfach – zumindest auf dem Papier: Je länger die Quantenkohärenz erhalten werden kann, desto vielfältiger und interessanter werden die Quantenanwendungen. In der Quantenphysik werden also neue Ansätze benötigt, um Dekohärenz aufgrund von Rauschen, Leck-Effekten und Zerfallskanälen zu verhindern. Itsik Cohen hat im Rahmen des MQC-Projekts Möglichkeiten zur Aufrechterhaltung dieser Kohärenz und zur Realisierung einer Vielzahl von Quantenanwendungen untersucht. Der Marie-Skłodowska-Curie-Stipendiat erklärte sich bereit, seinen Ansatz und seine Ergebnisse mit uns zu teilen.
Ihre Arbeit konzentriert sich auf Quantenkohärenz. Wieso ist sie wichtig für die Zukunft der Quanteninformatik?
Itsik Cohen: In der Physik wird die Kohärenz nur dann aufrechterhalten, wenn die Wellen ihre relative Phasenlage beibehalten. Nur so kommt es zum Interferenzphänomen. Dasselbe gilt für die Quantenkohärenz. Sie wird aufrechterhalten, wenn die Quantenüberlagerung (Phase und Amplitude) stabil bleibt. Die Quantenkohärenz ist das Herzstück der Quanteninformationstechnologie. Diese Technologie kann nur dann realisiert werden, wenn die Quantenkohärenz beibehalten wird. Die Kohärenzzeit muss nämlich verlängert werden, je komplexer die Quantenanwendungen sind. Auf die gleiche Weise zeigen längere Kohärenzzeiten eine höhere Leistung und eine höhere Genauigkeit bei der Quantenoperation, was vor allem für die Quanteninformatik äußerst wichtig ist.
Wie erreichen Sie eine solche Kohärenz?
Zur Aufrechterhaltung der Kohärenz sollte man die Hauptquellen für Dekohärenz, wie Rauschen, Leck-Effekte und Zerfallskanäle, überwinden. Speziell zu diesem Zweck wurden Techniken zur Neuausrichtung wie dynamische Entkopplung und Quantenfehlerkorrektur entwickelt. Das Gebiet der dynamischen Entkopplung entsprang aus Hahns Idee, die inhomogene Erweiterung in der Kernspinresonanz neu zu fokussieren. Dieser Effekt wurde Spin-Echo genannt. Er wird derzeit in vielen Bereichen der Physik eingesetzt, von atomaren Systemen bis hin zu kondensierter Materie. Die Durchbrüche auf diesem Gebiet haben uns ermöglicht, den Zustand eines Qubits mit extrem hoher Genauigkeit zu initialisieren, manipulieren und zu erkennen. Noch eindrucksvoller war die um viele Größenordnungen verlängerte Kohärenzzeit von Qubits. Ein komplementärer Ansatz zur pulsdynamischen Entkopplung ist kontinuierlich: Ein kontinuierliches resonantes Antriebsfeld öffnet eine Energielücke, die vor dem langsamen Leistungsspektrum der Dekohärenzquelle schützt. Das Gebiet der Quantenfehlerkorrektur wurde dagegen mit dem von Peter Shor entdeckten Mess- und Rückkopplungsalgorithmus geboren. In Shors Algorithmus wird ein einzelnes rechnerisches Qubit durch neun reale Qubits beschrieben. Rauschen wird durch Messungen erfasst, die den Qubit-Unterraum sichern können. Dann kann man Rückkopplungsoperationen anwenden und den Rauschprozess umkehren. Da die Protokolle zur Quantenfehlerkorrektur mehr Ressourcen erfordern, ist es besser, wenn möglich, DD-Schemata zu verwenden.
Inwiefern ist der Projektansatz Ihrer Meinung nach besonders innovativ?
Zur Aufrechterhaltung der Quantenkohärenz werden Schemata zur Neuausrichtung verwendet. Diese hängen von den Rauschquellen ab, die bei jeder Quantenplattform und jedem Versuchsaufbau unterschiedlich sind. Die unangemessene Verwendung dieser Schutzmaßnahme könnte auch die gewünschte Quantenanwendung neu fokussieren und zerstören. Meine Projekte sind besonders innovativ, da ich diese Schwierigkeiten überwinden muss. Man braucht viel Kreativität, um bei der Realisierung der gewünschten Anwendungen das Rauschen zu kompensieren.
Wie sind Sie vorgegangen, wenn Sie Probleme mit Quantenkommunikationsplattformen lösen wollten?
In einem früheren Projekt haben wir ein theoretisches Schema für die Verschränkungsverteilung in Quantennetzwerken vorgeschlagen. Wir können ein Phasengatter mit Mehrfachsteuerung zwischen den Atomen erzeugen, indem wir ein einzelnes Photon zwischen Quantenknoten senden, die jeweils aus einem in einen Hohlraum eingebetteten Atom-Qubit bestehen. Dieses universelle Gatter ist wichtig und wird für Quantensuchprotokolle benötigt. Eines der Versuchshindernisse besteht darin, die optische Phase des Photons aufgrund optischer Längenschwankungen zu bewahren. Wir haben dieses Problem überwunden, indem wir mehrere Photonen an das Quantennetzwerk gesendet haben: Wir haben eine gepulste Version der dynamischen Entkopplung verwendet, um die zufällige optische Phase neu zu fokussieren. Kürzlich haben wir in einer theoretisch-experimentellen Zusammenarbeit mit der Gruppe des Weizmann-Instituts unter der Leitung von Ofer Firstenberg gezeigt, dass eine kontinuierliche dynamische Entkopplung zum Schutz einer kollektiven Anregung in warmen Atomen vor Dopplerverbreiterung angewendet werden kann. Wenn ein Photon (oder ein schwacher kohärenter Impuls) von Atomdampf absorbiert wird, wirkt diese globale Atomanregung als Spinwelle. Jedes Atom besitzt je nach seiner Position und dem Impuls des absorbierten Photons eine Phase. Aufgrund zufälliger Atomgeschwindigkeiten wird die globale Anregung einer Doppler-Dekohärenz ausgesetzt, welche die gewünschte Atomphase zerstört. Um dieses Problem zu beheben, führen wir einen zusätzlichen untergeordneten Sensorzustand ein, der eine entgegengesetzte Empfindlichkeit gegenüber demselben Doppler-Mechanismus aufweist. Wir koppeln sie, indem wir den Übergang zwischen den angeregten und den Sensor-Zuständen intelligent steuern, und erhalten einen geschützten ordentlichen Zustand, der gegenüber Doppler-Rauschen unempfindlich ist. Die Kohärenzzeit wird verlängert.
Erklären Sie bitte, welche Ihrer Meinung nach die wichtigsten Ergebnisse dieser beiden Projekte sind?
Beide Projekte sind wichtig für den Fachbereich der Quanteninformationstechnologien. Beide haben viele weitere Anwendungsmöglichkeiten und können zu einer bereichernden Forschung führen. Als Theoretiker denke ich jedoch, dass jede Theorie, die experimentell umgesetzt werden kann, letztendlich wichtiger ist als eine, bei der es nicht machbar ist. Daher bin ich der Ansicht, dass die experimentell-theoretische Zusammenarbeit im zweiten Projekt wichtiger ist. Das gilt zumindest so lange, bis das erste Projekt experimentell durchgeführt ist.
Wie werden die Ergebnisse Ihrer Forschung die Quanteninformatik möglichst langfristig beeinflussen? Welche Anwendungen sehen Sie voraus?
Rydberg-Atome sind in letzter Zeit eine interessante Möglichkeit als Quantenberechnungsplattform geworden. Unser Schema kann zum Schutz vor Doppler-Dekohärenz genutzt werden, während die Rydberg-Zustände, die zur Erzeugung von Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Atomen benötigt werden, effektiv besiedelt werden. Daher bin ich sicher, dass unser Schema für bevorstehende Experimente in der Quanteninformatik mit Rydberg-Atomen nützlich sein wird. Die Skalierung der Quantenberechnung über eine große Anzahl von Qubits bleibt eine der wesentlichen Herausforderungen der Quanteninformationsverarbeitung. Die Verwendung unseres Schemas zur Verschränkungsverteilung in Quantennetzwerken geht Hand in Hand mit dem Konzept eines hierarchischen Quantencomputers, bei dem jeder Quantenknoten ein Quantencomputer mit wenigen Qubits ist. Ich bin daher davon überzeugt, dass unser Schema letztendlich experimentell überprüft wird, obwohl es das noch nicht ist.
Können Sie uns gegebenenfalls mehr über Ihre kommenden Pläne erzählen?
Es gibt viele Möglichkeiten. Eine Möglichkeit wäre es, auf dem Gebiet der Quantentechnologien akademisch weiter zu forschen. Andererseits gibt es viele Unternehmen außerhalb der Wissenschaft, in denen ich ebenfalls einen Beitrag leisten kann. Ich habe mich noch nicht wirklich entschieden!
Schlüsselbegriffe
MQC, Quanteninformation, Kohärenz, Dekohärenz, Doppler, Verschränkung