Schall wird für die Quanteninformationsverarbeitung manipuliert

Schall ist ein fester Bestandteil der klassischen, makroskopischen Welt – daher betrachten wir Schall normalerweise nicht als Quantenphänomen. Für einige der leisesten Geräusche, die überhaupt möglich sind, kommt jedoch die Quantenmechanik ins Spiel. Jetzt hat ein Forscherteam der Pritzker School of Molecular Engineering an der Universität von Chicago und des Argonne National Lab in den USA gezeigt, wie Schall genutzt werden kann, um im Wesentlichen zwei zu erzeugen Quanteneffekte: Überlagerung und Interferenz. Dadurch könnten klangbasierte Technologien schon bald zur Entwicklung von Quantencomputern eingesetzt werden.

So wie elektromagnetische Wellen als teilchenartige Photonen quantisiert werden, können Schallwellen als teilchenartige Phononen quantisiert werden. Im Gegensatz zu Photonen, die fundamentale Teilchen sind, handelt es sich bei Phononen jedoch um kollektive Anregungen, an denen eine große Anzahl von Atomen oder Molekülen beteiligt ist. Dennoch gehorchen diese kollektiven Anregungen den Gesetzen der Quantenmechanik. Jetzt haben Andrew Cleland und Kollegen aus Chicago gezeigt, dass die Quantennatur von Phononen möglicherweise zur Durchführung komplexer Rechenaufgaben genutzt werden könnte.

„Ein Phonon repräsentiert die kollektive Bewegung einer astronomischen Anzahl von Atomen“, sagt Cleland. „Und sie alle müssen zusammenarbeiten, um der Quantenmechanik zu gehorchen. Ich hatte diese Frage im Hinterkopf: Wird das wirklich funktionieren? Wir haben es ausprobiert und es ist irgendwie erstaunlich, aber es funktioniert wirklich.“

Das Team erzeugte einzelne Phononen als sich ausbreitende Wellenpakete auf der Oberfläche eines Lithiumniobat-Chips. Die Phononen wurden mithilfe zweier supraleitender Qubits erzeugt und nachgewiesen, die sich auf einem separaten Chip befanden und über die Luft an den Lithiumniobat-Chip gekoppelt waren. Die beiden supraleitenden Qubits befanden sich auf beiden Seiten des Chips, mit einem zwei Millimeter langen Kanal zwischen ihnen, der die wandernden Phononen beherbergte.

In der Mitte des Phononenwegs entwickelte das Team einen Strahlteiler, ein Gerät, das einen Phononenstrahl in zwei Strahlen aufteilt, die in zwei verschiedene Richtungen wandern. Aufgrund der Quantennatur von Phononen kann der Strahlteiler ein Phonon in eine Quantenüberlagerung aus einem Phonon, das einen Weg eingeschlagen hat, und einem Phonon, das den anderen Weg eingeschlagen hat, versetzen. Die Forscher demonstrierten ihre Fähigkeit, eine solche Überlagerung zu erzeugen, indem sie beide „Hälften“ durch den Strahlteiler zurückschickten und ein Interferenzmuster beobachteten.

Als nächstes richteten sie ihre Aufmerksamkeit auf die Reproduktion des „Hong-Ou-Mandel-Effekts“, der das Herzstück photonischer Quantencomputing-Architekturen bildet. Normalerweise werden dabei zwei Photonen aus entgegengesetzten Richtungen in einen Strahlteiler geschickt. Quanteninterferenz bedeutet, dass beide Photonen immer in der gleichen Richtung aus dem Strahlteiler austreten. Die Chicagoer Gruppe konnte diesen Effekt anhand von Phononen nachweisen.

Derzeit werden Quantencomputer entwickelt, die verschiedene Arten von Qubits verwenden, darunter gefangene Ionen, supraleitende Schaltkreise und Photonen. Im Gegensatz zu Ionen und Supraleitern interagieren Photonen nicht miteinander – zwei Lichtstrahlen können sich einfach unbeeinflusst durchdringen. Dies bedeutet, dass es schwierig ist, Zwei-Qubit-Operationen mit Photonen durchzuführen. Stattdessen erzeugen photonische Plattformen große Cluster stark verschränkter Photonen und nutzen die klassische Messung einiger dieser Photonen, um Berechnungen durchzuführen.

Aufgrund ihrer Ähnlichkeit mit Photonen wird erwartet, dass Phononen zu den gleichen Arten der Quanteninformationsverarbeitung fähig sind wie Photonen, und Cleland und Kollegen haben gezeigt, dass dies möglich sein sollte. Phononen unterscheiden sich jedoch in mehreren wesentlichen Punkten von Photonen. Phonon-Qubits erfordern kryogene Kühlung und leiden unter viel höheren Verlustraten. Dennoch bietet diese Plattform einen wichtigen Vorteil, den herkömmliche photonische Implementierungen nicht bieten: Der Phononenzustand wird von einem supraleitenden Qubit vollständig quantenmechanisch erfasst, wobei alle Überlagerungs- und Verschränkungsinformationen erhalten bleiben. Die Forscher hoffen, dass sich dies bei der Entwicklung zukünftiger Quantentechnologien als nützlich erweisen wird.

„Wir versuchen zu vermitteln“, sagt Cleland, „dass man ein System aufbauen kann, in dem man optisches Quantencomputing auf einem kleinen System durchführen kann, und dass man es direkt in einen Standard-Gate-basierten Quantencomputer integrieren kann.“ Cleland erklärt, dass dies wichtig sei, da diese direkte Integration mit Photonen nicht möglich sei.

Andere sind sich einig, dass dies Potenzial hat. „Ein Teil des Reizes an der Untersuchung dieser Plattformen mit Phononen besteht darin, dass sie möglicherweise die Umwandlung zwischen Mikrowellen und sichtbarem Licht ermöglichen könnten, und das ist auf jeden Fall sehr aufregend“, sagt Nicolás Quesada, Experte für photonische Quanteninformation an der Polytechnique Montréal wer nicht an der Forschung beteiligt war.

Die Forschung wird in Science beschrieben.