UNSW-Ingenieure haben ein bekanntes Quantengedankenexperiment in der realen Welt demonstriert. Ihre Erkenntnisse liefern eine neue und robustere Methode zur Durchführung von Quantenberechnungen – und sie haben wichtige Auswirkungen auf die Fehlerkorrektur, eines der größten Hindernisse, die zwischen ihnen und einem funktionierenden Quantencomputer stehen.
Die Quantenmechanik gibt Wissenschaftlern und Philosophen seit mehr als einem Jahrhundert Rätsel auf. Eines der berühmtesten Quantengedankenexperimente ist das der „Schrödingers Katze“ – einer Katze, deren Leben oder Tod vom Zerfall eines radioaktiven Atoms abhängt.
Gemäß der Quantenmechanik muss man davon ausgehen, dass sich das Atom, sofern es nicht direkt beobachtet wird, in einer Überlagerung – also in mehreren Zuständen gleichzeitig – von zerfallen und nicht zerfallen befindet. Dies führt zu der beunruhigenden Schlussfolgerung, dass sich die Katze in einer Überlagerung von tot und lebendig befindet.
„Niemand hat jemals eine echte Katze in einem Zustand gesehen, in dem sie gleichzeitig tot und lebendig ist, aber die Menschen verwenden die Katzenmetapher von Schrödinger, um eine Überlagerung von Quantenzuständen zu beschreiben, die sich um einen großen Betrag unterscheiden“, sagt UNSW-Professor Andrea Morello , Leiter des Teams, das die kürzlich in der Zeitschrift veröffentlichte Forschung durchgeführt hat Naturphysik.
Atomkatze
Für diese Forschungsarbeit verwendete das Team von Prof. Morello ein Antimonatom, das viel komplexer ist als herkömmliche „Qubits“ oder Quantenbausteine.
„In unserer Arbeit ist die ‚Katze‘ ein Antimonatom“, sagt Xi Yu, Hauptautor der Studie.
„Antimon ist ein schweres Atom, das einen großen Kernspin, also einen großen magnetischen Dipol, besitzt. Der Spin von Antimon kann statt nur zwei, acht verschiedene Richtungen annehmen. Das mag nicht viel erscheinen, aber tatsächlich verändert es das Verhalten von.“ „Eine Überlagerung des Antimonspins, die in entgegengesetzte Richtungen zeigt, ist nicht nur eine Überlagerung von „oben“ und „unten“, da es mehrere Quantenzustände gibt, die die beiden Zweige der Überlagerung trennen.
Dies hat tiefgreifende Konsequenzen für Wissenschaftler, die an der Entwicklung eines Quantencomputers arbeiten, der den Kernspin eines Atoms als Grundbaustein nutzt.
„Normalerweise verwenden Menschen ein Quantenbit oder ‚Qubit‘ – ein Objekt, das nur durch zwei Quantenzustände beschrieben wird – als Grundeinheit der Quanteninformation“, sagt Co-Autor Benjamin Wilhelm.
„Wenn das Qubit ein Spin ist, können wir ‚Spin Down‘ den ‚0‘-Zustand und ‚Spin Up‘ den ‚1‘-Zustand nennen. Aber wenn sich die Richtung des Spins plötzlich ändert, haben wir sofort einen logischen Fehler: 0.“ verwandelt sich auf einmal in 1 oder umgekehrt. Deshalb sind Quanteninformationen so fragil.
Aber wenn im Antimonatom mit acht verschiedenen Spinrichtungen die „0“ als „tote Katze“ und die „1“ als „lebende Katze“ kodiert ist, reicht ein einziger Fehler nicht aus, um den Quantencode zu verschlüsseln.
„Wie das Sprichwort sagt, hat eine Katze neun Leben. Ein kleiner Kratzer reicht nicht aus, um sie zu töten. Unsere metaphorische „Katze“ hat sieben Leben: Es wären sieben aufeinanderfolgende Fehler nötig, um die „0“ in eine „1“ zu verwandeln! Das ist der Sinn, in dem die Überlagerung von Antimon-Spinzuständen in entgegengesetzte Richtungen „makroskopisch“ ist – weil sie in einem größeren Maßstab geschieht und eine Schrödinger-Katze realisiert“, erklärt Yu.
Skalierbare Technologie
Die Antimonkatze ist in einen Silizium-Quantenchip eingebettet, ähnlich denen, die wir in unseren Computern und Mobiltelefonen haben, jedoch so angepasst, dass sie Zugriff auf den Quantenzustand eines einzelnen Atoms ermöglichen. Der Chip wurde von Dr. Danielle Holmes von der UNSW hergestellt, während das Antimonatom von Kollegen der University of Melbourne in den Chip eingefügt wurde.
„Indem wir die atomare ‚Schrödinger-Katze‘ in einem Siliziumchip unterbringen, erhalten wir eine hervorragende Kontrolle über ihren Quantenzustand – oder, wenn Sie möchten, über ihr Leben und ihren Tod“, sagt Dr. Holmes.
„Darüber hinaus bedeutet die Unterbringung der ‚Katze‘ in Silizium, dass diese Technologie langfristig mit ähnlichen Methoden skaliert werden kann, wie wir sie bereits zum Bau der Computerchips verwenden, die wir heute haben.“
Die Bedeutung dieses Durchbruchs besteht darin, dass er die Tür zu einer neuen Art der Durchführung von Quantenberechnungen öffnet. Die Informationen sind immer noch im Binärcode „0“ oder „1“ codiert, es gibt jedoch mehr „Raum für Fehler“ zwischen den logischen Codes.
„Ein einzelner oder auch nur wenige Fehler beeinträchtigen die Informationen nicht sofort“, sagt Prof. Morello.
„Wenn ein Fehler auftritt, erkennen wir ihn sofort und können ihn beheben, bevor sich weitere Fehler anhäufen.“ Um die Metapher „Schrödinger-Katze“ fortzusetzen: Es ist, als würden wir unsere Katze mit einem großen Kratzer im Gesicht nach Hause kommen sehen. Er ist weit weg vom Tod, aber wir wissen, dass er in einen Streit geraten ist; wir können herausfinden, wer den Streit verursacht hat, bevor es wieder passiert und unsere Katze weitere Verletzungen erleidet.“
Die Demonstration der Quantenfehlererkennung und -korrektur – ein „Heiliger Gral“ im Quantencomputing – ist der nächste Meilenstein, den das Team in Angriff nehmen wird.
Die Arbeit war das Ergebnis einer umfassenden internationalen Zusammenarbeit. Mehrere Autoren der UNSW Sydney sowie Kollegen der University of Melbourne haben die Quantengeräte hergestellt und betrieben. Theorie-Mitarbeiter in den USA, den Sandia National Laboratories und der NASA Ames, und Kanada, der University of Calgary, lieferten wertvolle Ideen zur Erschaffung der Katze und zur Beurteilung ihres komplizierten Quantenzustands.
„Diese Arbeit ist ein wunderbares Beispiel für die grenzüberschreitende Zusammenarbeit zwischen weltweit führenden Teams mit komplementärem Fachwissen“, sagt Prof. Morello.
