Veröffentlicht: 28.01.10
ERC Starting Grants: Quantenphysik

Auf dem Weg zum Quantencomputer

Der Hybrid von mikroelektronischen Schaltungen und Atomen, die kombiniert quantenmechanische Eigenschaften haben, soll zum Durchbruch im Quantencomputing verhelfen. Daran glaubt nicht nur Andreas Wallraff, sondern auch der Europäische Forschungsrat, der sein Projekt mit nahezu zwei Millionen Euro für fünf Jahre unterstützt.

Simone Ulmer
Andreas Wallraff und sein Postdoc Stefan Filipp vor der Apparatur, mit der sie elektronische quantenmechanische Systeme mit atomaren quantenmechanischen Systemen koppeln wollen. (Bild: P. Rüegg/ETH Zürich)
Andreas Wallraff und sein Postdoc Stefan Filipp vor der Apparatur, mit der sie elektronische quantenmechanische Systeme mit atomaren quantenmechanischen Systemen koppeln wollen. (Bild: P. Rüegg/ETH Zürich) (Grossbild)

Wie Atome mit einer elektronischen Schaltung kontrolliert kommunizieren können, untersucht der achtunddreissigjährige Andreas Wallraff, Professor für Festkörperphysik an der ETH Zürich, mit seiner Forschungsgruppe. 1,9 Millionen Euro Forschungsgelder des «ERC Independent Researcher Starting Grants» (siehe ETH Life vom 5.8.2009) ermöglichen ihm und seinem Team, ihren Forschungsbereich auszuweiten. Bis anhin hat Wallraff, der 2006 von der amerikanischen Yale University an die ETH Zürich wechselte, mit seiner Gruppe vor allem quantenmechanische Effekte in elektronischen Mikroschaltungen erforscht. Dabei schicken sie zum Beispiel Photonen von einem Ort des Chips zu einem anderen und beobachten, wie diese untereinander in Wechselwirkung treten.

Vergoldetes Innenleben

Nun wollen die Wissenschaftler ihre elektronischen quantenmechanischen Systeme mit atomaren quantenmechanischen Systemen koppeln. Dafür wird im Keller des Laboratoriums für Festkörperphysik ein neues Labor mit speziell entwickelten Apparaturen aufgebaut. Das Innenleben der Vorrichtung, das teilweise vergoldet ist, wirkt nahezu wie ein Kunstwerk. Mit ihm sollen die quantenmechanischen Eigenschaften und Effekte von Atomen und mikroelektronischen Schaltungen optimal zum Zusammenspiel gebracht werden. Die Methode ist eine von mehreren Ansätzen zur Entwicklung der Hardware eines Quantencomputers, bei dem auf so genannten Quantenbits oder Qubits mehrere logische Operationen gleichzeitig durchgeführt werden. Denn entgegen dem klassischen Computer, bei dem nur die Zustände 0 und 1 bekannt sind und die Rechenoperationen auf den Bit nacheinander ablaufen, können sich die Zustände beim Quantencomputer überlagern und komplexe Rechenoperationen beschleunigen.

Das Ziel der Wissenschaftler von Wallraffs Team ist vor allem zu erforschen, wie Informationen auf ein Quantenbit gelangen, diese wieder abgerufen werden und untereinander kommunizieren können. Dabei gilt es zunächst, funktionstüchtige und präzise Komponenten zu entwickeln, mit denen einerseits Quanteninformationen möglichst lange gespeichert und andererseits zwischen den Komponenten rasch und problemlos hin und her bewegt werden können.

Trickreiche Kopplung

Der Chip mit den mikroelektronischen Schaltungen arbeitet anstatt mit Transistoren mit den quantenmechanischen Eigenschaften von Photonen. Trotz der hohen Taktrate der Schaltung ist die verfügbare Zeit zur Quanteninformationsverarbeitung mit einem derartigen Qubit sehr kurz, da die in ihm gespeicherte Information derzeit noch innerhalb weniger Mikrosekunden verloren geht, erklärt Wallraff. Jene auf atomaren Qubits sei mit bis zu einer Sekunde zwar deutlich länger, dafür ist die derzeit realisierte Taktrate aber tausendfach langsamer. Durch die Kopplung beider Systeme wollen die Forscher nun die Vorteile des elektronischen und atomaren Systems zusammenbringen: Diese Kombination ist der Grundbaustein des Quantencomputers der Wallraff-Gruppe.

In Frédéric Merkt, Professor für Physikalische Chemie an der ETH Zürich, fand Wallraff den idealen Partner für sein neu aufzubauendes Forschungsgebiet. Denn dieser forscht unter anderem an so genannten Rydberg-Atomen. Diese sind für die atomare Quanteninformationsverarbeitung optimal geeignet, da sie einen etwa 1000 bis 10'000 Mal grösseren Durchmesser als ein normales Atom haben. Somit können sie mit den Photonen der elektronischen Schaltung am besten in Wechselwirkung treten.

Photon und Atom kommunizieren lassen

Beide Systeme - die jeweils für sich schon hoch komplex sind - zusammen zu bringen, ist eine Herausforderung. So muss der Chip aus supraleitenden Materialien hergestellt werden, damit die auf ihm gespeicherte Quanteninformation möglichst lang erhalten bleibt. Auch die bei normaler Raumtemperatur vorhandenen und störenden thermischen Photonen müssen eliminiert werden. Dazu muss die Temperatur des Chips nahe dem absoluten Nullpunkt, nur wenige hunderttausendstel Grad über minus 273 Grad Celsius, liegen. Das geschieht mit einem speziell entwickelten Kühlsystem.

Auf dem Mikrochip werden einzelne Photonen erzeugt. Ein elektromagnetischer Resonator-Schaltkreis hält sie davon ab, dass sie mit Lichtgeschwindigkeit davon sausen, bevor sie mit den Rydberg-Atomen, die gezielt über den Chip geleitet werden, in Wechselwirkung treten. Das Rydberg-Atom soll als Qubit agieren und durch das Photon vom Zustand 0 zu 1 und umgekehrt gebracht werden. Was die Forscher bei einer solchen Anordnung erwartet, wie und ob das Atom und Photon miteinander wechselwirken, dem sehen die Forscher mit grosser Spannung entgegen. Ziel ist jedenfalls, dass die Atome mit der elektrischen Schaltung kommunizieren. «Erst wenn wir wissen, wie das funktioniert, können wir beginnen, Informationen zwischen den beiden Qubit-Systemen zu transferieren», sagt Wallraff.

Bis zu einem universell arbeitenden Quantencomputer scheint es noch ein langer Weg. Doch Wallraff ist optimistisch und hofft auf ein rasches Fortschreiten der Entwicklung. Er ist sich sicher, dass sein Projekt nicht nur die Weiterentwicklung der Quantenprozessoren vorantreibt, sondern auch wichtige Beiträge für das grundlegende Verständnis der Wechselwirkung von Atomen mit Festkörpern bringen wird.