Wissenschaftler haben gerade gezeigt, wie Quantencomputer auf Schallwellen basieren könnten

Eine seltsame und wunderbare Reihe von Technologien konkurrieren darum, zum Vorreiter des Quantencomputings zu werden. Der neueste Anwärter möchte Quanteninformationen in Schallwellen kodieren.

Allen Quantencomputern ist gemeinsam, dass sie in Quantenzuständen kodierte Informationen manipulieren. Aber hier enden die Ähnlichkeiten, denn diese Quantenzustände können in allem induziert werden, von supraleitenden Schaltkreisen bis hin zu eingefangenen Ionen, ultragekühlten Atomen, Photonen und sogar Siliziumchips.

Während einige dieser Ansätze mehr Investitionen angezogen haben als andere, sind wir noch weit davon entfernt, dass sich die Branche auf eine gemeinsame Plattform einlässt. Und in der Welt der akademischen Forschung gibt es immer noch viele Experimente.

Jetzt hat ein Team der University of Chicago entscheidende erste Schritte zum Bau eines Quantencomputers unternommen, der Informationen in Phononen kodieren kann, den grundlegenden Quanteneinheiten, aus denen Schallwellen entstehen, ähnlich wie Photonen Lichtstrahlen bilden.

Die Grundprinzipien, wie man einen „phononischen“ Quantencomputer erstellen könnte, sind denen, die in „photonischen“ Quantencomputern verwendet werden, ziemlich ähnlich. Bei beiden geht es darum, einzelne Teilchen oder Quasiteilchen zu erzeugen und zu erkennen und sie mithilfe von Strahlteilern und Phasenschiebern zu manipulieren. Phononen sind Quasiteilchen, denn obwohl sie sich quantenmechanisch wie Teilchen verhalten, bestehen sie tatsächlich aus dem kollektiven Verhalten einer großen Anzahl von Atomen.

Die Gruppe aus Chicago hatte bereits gezeigt, dass sie mithilfe akustischer Oberflächenwellen, die sich mit Frequenzen, die etwa eine Million Mal höher sind als ein Mensch hören kann, über die Oberfläche eines Materials bewegen, einzelne Phononen erzeugen und diese zur Übertragung von Quanteninformationen zwischen zwei supraleitenden Qubits nutzen können .

Doch in einem neuen Artikel in Science demonstrieren die Forscher den ersten phononischen Strahlteiler, der, wie der Name schon sagt, darauf ausgelegt ist, akustische Wellen zu spalten. Diese Komponente ist ein entscheidender Bestandteil eines phononischen Quantencomputers, da sie es ermöglicht, Quantenphänomene wie Überlagerung, Verschränkung und Interferenz zu nutzen.

Ihr Aufbau besteht aus zwei supraleitenden Qubits, die auf flachen Saphirstücken hergestellt und durch einen Kanal aus Lithiumniobat miteinander verbunden sind. Jedes Qubit ist über einen abstimmbaren Koppler mit einem Gerät namens Wandler verbunden, das elektrische Signale in mechanische umwandelt.

Damit werden Schwingungen erzeugt, die die einzelnen Phononen im Verbindungskanal der Qubits erzeugen, in dessen Mitte sich ein Strahlteiler aus 16 parallelen Metallfingern befindet. Der gesamte Aufbau wird auf knapp über den absoluten Nullpunkt gekühlt.

Um die Leistungsfähigkeit ihres Systems zu demonstrieren, regten die Forscher zunächst eines der Qubits an, um es dazu zu bringen, ein einzelnes Phonon zu erzeugen. Dieses wanderte entlang des Kanals zum Strahlteiler, aber da Quantenteilchen wie Phononen grundsätzlich unteilbar sind, kam es zu einer Quantenüberlagerung, anstatt sich zu spalten.

Damit ist die Fähigkeit eines Quantensystems gemeint, gleichzeitig in mehreren Zuständen zu sein, bis diese gemessen werden und auf eine der Möglichkeiten zusammenbrechen. In diesem Fall wurde das Phonon sowohl zum ursprünglichen Qubit zurückreflektiert als auch zum zweiten Qubit übertragen, das das Phonon einfangen und die Quantenüberlagerung speichern konnte.

In einem zweiten Experiment gelang es den Forschern, ein Quantenphänomen zu reproduzieren, das für die Art und Weise, wie Logikgatter in photonischen Quantencomputern erzeugt werden, von grundlegender Bedeutung ist: den Hong-Ou-Mandel-Effekt. Bei optischen Aufbauten werden dabei zwei identische Photonen gleichzeitig aus entgegengesetzten Richtungen in einen Strahlteiler eingespeist. Beide gehen dann eine Überlagerung ein, aber diese Ausgänge interferieren miteinander, so dass beide Photonen schließlich gemeinsam zu nur einem der Detektoren wandern.

Die Forscher zeigten, dass sie diesen Effekt mithilfe von Phononen reproduzieren konnten, und vor allem, dass sie die Qubits verwenden konnten, um die Eigenschaften der Phononen zu ändern, sodass sie steuern konnten, in welche Richtung sich die Ausgabe ausbreitet. Das ist ein entscheidender erster Schritt auf dem Weg zum Aufbau eines praktischen Quantums Computer, sagt Andrew Cleland, der die Studie leitete.

„Der Erfolg des Zwei-Phononen-Interferenz-Experiments ist der letzte Beweis dafür, dass Phononen äquivalent zu Photonen sind“, sagte Cleland in einer Pressemitteilung. „Das Ergebnis bestätigt, dass wir über die Technologie verfügen, die wir zum Bau eines linearen mechanischen Quantencomputers benötigen.“

Die Forscher räumen ein, dass der Ansatz wahrscheinlich nicht direkt mit optischen Ansätzen im Quantencomputing konkurrieren wird, da die Komponenten viel größer und langsamer sind. Ihre Fähigkeit, sich nahtlos mit supraleitenden Qubits zu verbinden, könnte sie jedoch vielversprechend für hybride Computersysteme machen, die das Beste aus beiden Welten vereinen.

Es wird wahrscheinlich noch lange dauern, bis die zugrunde liegenden Komponenten die Ausgereiftheit und Industrietauglichkeit anderer Quantenansätze erreichen. Aber es scheint, als ob der Wettlauf um Quantenvorteile gerade etwas voller geworden ist.

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