Atom-Qubits in einer optischen Falle
In der neuen Ausgabe des Journals Nature wurden gleich zwei Artikel veröffentlicht, die sich der rekordverdächtigen großmaßstäblichen Simulation von Quantensystemen mit 51- und 53-Qubit-Quantencomputern widmen. Den Physikern ist es nicht nur gelungen, erstmals eine so große Anzahl von Qubits in einem kohärenten, vollständig kontrollierbaren Zustand zu halten, sondern auch direkt Mehrteilchen-Nichtgleichgewichtszustände zu untersuchen, die modernen klassischen Computern nicht zugänglich sind. Insbesondere konnten die Wissenschaftler ungewöhnlich stabile, bisher nicht beschriebene Übergangszustände nachweisen. Solche Rechner können genau zeigen, wie Supraleitung oder Magnetismus in Materialien auftritt. In Zukunft könnten solche Systeme die Basis für einen universellen programmierbaren Quantencomputer bilden.
Die erste Studie wurde unter der Leitung von Mikhail Lukin, Mitbegründer des Russian Quantum Center und Professor an der Harvard University, durchgeführt – ein 51-Qubit-Computer wird auf Basis neutraler Atome in einer optischen Falle gebaut. Wir haben bereits früher über diese Arbeit berichtet, aber erst jetzt hat der Artikel das Verfahren der wissenschaftlichen Begutachtung bestanden und ist veröffentlicht worden. Die zweite Studie wurde in der Gruppe von Christopher Monroe an der University of Maryland durchgeführt – ein 53-Qubit-System basierend auf Ionen in einer optischen Falle.
Die Eigenschaften und das Verhalten von Quantensystemen, selbst von gewöhnlichen Magneten, sind mit klassischen Computern unglaublich schwer zu simulieren. Dies liegt daran, dass sich Quantensysteme gleichzeitig in einer Vielzahl von Quantenzuständen befinden – und diese Zahl wächst schnell (exponentiell) mit einer Zunahme der Anzahl der Teilchen im System (zum Beispiel magnetische Atome). Um Quantenphänomene erfolgreich vorhersagen zu können, entwickeln Physiker spezielle Computer auf Basis von Qubits – Quantenbits. Diese Objekte spielen im untersuchten System die Rolle von Quantenteilchen - der Computer reproduziert die Bedingungen, unter denen sich das interessierende System befindet, und lässt Qubits in ihnen frei entstehen, wodurch das Verhalten des Systems wiederholt wird. Mit anderen Worten, Quantencomputer sind Analoga realer Quantensysteme, seien es Supraleiter oder Spinketten in magnetischen Materialien.
Heute gibt es Computer mit mehr als hundert Qubits. Allerdings sind die Möglichkeiten, die einzelnen Zustände dieser Qubits zu kontrollieren, begrenzt, sodass sie nur zur Untersuchung einer bestimmten Klasse von Systemen verwendet werden können. Universell – im Sinne der Steuerung der Qubits – sind Computer bisher auf 20 Qubits beschränkt. Neue Arbeiten erhöhen diese Zahl dramatisch um fast das 2,5-fache, was einer deutlichen Erhöhung der Komplexität der simulierten Systeme entspricht (die Hinzufügung von 30 Qubits erhöht die Komplexität um das 230-fache).
Beide Experimente folgen einem ähnlichen Muster. Die Rolle der Qubits spielen entweder neutrale Rubidium-87-Atome oder Ytterbium-171-Ionen. In der ersten Stufe werden Atome in einer optischen Falle gefangen, wo sie im elektromagnetischen Feld von Lasern festgehalten werden. Dann wird der Zustand vorbereitet – die Partikel werden mit Hilfe von Laserpulsen in den gewünschten Energiezustand überführt. Darauf folgt das „Quantenhärten“. Die äußere Umgebung ändert sich schlagartig (beispielsweise wird ein Magnetfeld oder ein zusätzlicher Laser eingeschaltet) und die Falle wird ausgeschaltet. Der Zustand des Rechners entwickelt sich weiter, woraufhin die Forscher das Ergebnis der Evolution betrachten.
Schema des Experiments in der Gruppe von Mikhail Lukin. Durch die Rydberg-Blockade werden angeregte neutrale Rubidiumatome gruppiert, die Größe der Gruppen wird durch die Frequenz der anregenden Strahlung bestimmt
So sahen Physiker in der Gruppe von Mikhail Lukin die Entstehung von Rydberg-Kristallen. Die "Härtung" bestand darin, dass Elektronen von Rubidiumatomen auf ein sehr hohes Energieniveau (70.) angeregt wurden. Abhängig von der Frequenz des Lasers, der die Atome anregt, wird die sogenannte Rydberg-Blockade beobachtet – geht eines der Atome in den Rydberg-Zustand über, dann hindert es seine nächsten (oder nächsten) Nachbarn daran. Dadurch bilden sich in einer homogenen Kette alternierende Gruppen aus einem, zwei, drei oder vier Rydberg-Atomen.
Wissenschaftler haben im Detail beobachtet, wie der Übergang in einen solchen "kristallinen" Zustand erfolgt. In der Atomkette entstehen Grenzen von kristallinen Regionen - Domänenwände, an denen der "richtige Wechsel" von Gruppen von Rydberg-Atomen verletzt wird. Es stellt sich heraus, dass die Ordnung in einem eindimensionalen Kristall viel langsamer gelingt, als man es von einfachen Modellen erwarten würde: Das System „schwingt“lange zwischen mehreren Zuständen.
Die Gruppe von Christopher Monroe untersuchte ein weiteres bekanntes Phänomen - die Magnetisierungsumkehrung einer Kette magnetischer Momente. Materialien wie Magnetit sind aufgrund der besonderen Eigenschaften von Atomen magnetisch. Einige von ihnen können sich aufgrund einer wichtigen (und hauptsächlich Quanten-)Eigenschaft der Elektronen - des Spins - wie kleine Magnete verhalten. Wenn alle Spins in einem Material in die gleiche Richtung gerichtet sind, verhält sich auch das gesamte Material wie ein Magnet – dieser Zustand wird als ferromagnetische Ordnung bezeichnet.
Schema eines Experiments der Gruppe von Christopher Monroe. Die Spins der Ionen werden geordnet, dann wird das senkrechte Magnetfeld eingeschaltet. Es zwingt die Spins, sich zu drehen und zu präzedieren (Spin um eine Achse, die einen Kegel beschreibt). Dann erfolgt die Messung
Wissenschaftler haben eine Kette solcher co-gerichteter Spins geschaffen, deren Rolle Ytterbium-Ionen spielten. Dann wurde das transversale Magnetfeld im Rechner eingeschaltet und die Ionen konnten sich frei entwickeln. Das Magnetfeld zwingt die Spins, sich um 90 Grad zu drehen, und die Wechselwirkung zwischen benachbarten Ionen behält dagegen die Richtung der Spins bei.
Wenn das Magnetfeld schwach war, begannen sich die Richtungen der Spins um die ursprüngliche Magnetisierungsrichtung zu drehen. Mit zunehmendem Feld wurde die Rotation immer stärker, und irgendwann änderte die Kette die Richtung der Spins in eine senkrechte - Korichtung mit dem Feld, was in den Details der Physik zu sehen war.
Helle Punkte sind Ytterbiumionen in einem Zustand, in dem der Spin nach oben gerichtet ist. Wenn das Ytterbium-Ion im Bild nicht sichtbar ist (nach dem Einschalten des Magnetfelds), ist seine Spinprojektion in die entgegengesetzte Richtung gerichtet
Ein wichtiger Unterschied zwischen dem Experiment der Monroe-Gruppe besteht darin, dass die Qubits in der Kette viel stärker miteinander wechselwirkten als neutrale Atome – die Kräfte der elektrostatischen Abstoßung sind viel stärker als bei van der Waals. Aus diesem Grund spielten in einem solchen Rechner weitreichende Ordnungseffekte (die Wechselwirkung von Ionen nicht nur mit den nächsten Nachbarn, sondern auch mit entfernten Qubits) eine wichtige Rolle.
Christopher Monroe stellt fest, dass es bereits programmierbare universelle Quantencomputer auf der Basis von Ionen in einer optischen Falle gibt – sie enthielten jedoch nur fünf Qubits. Die neue Arbeit kann verwendet werden, um komplexere Geräte zu erstellen. Wissenschaftler sagen voraus, dass ein programmierbarer universeller Quantencomputer, der 50 Qubits oder mehr umfasst, eine „Quantenüberlegenheit“erreichen wird – er wird in der Lage sein, Probleme zu lösen, die für Berechnungen auf modernen Supercomputern offensichtlich nicht zugänglich sind. Diese Probleme umfassen sowohl die Faktorisierung von Zahlen - ihre Zerlegung in Primfaktoren als auch verschiedene Optimierungsprobleme.
Bemerkenswert ist, dass die Modellierung der Gruppen Monroe und Lukin bereits auf Probleme verweist, die mit modernen Computern nicht exakt gelöst werden können – der Speicher von Supercomputern reicht nicht aus, um alle möglichen Zustände dieser Quantensysteme zu speichern.
