Quanten, die Fehler verzeihen

Quantentechnologie wird praxistauglicher: An der TU Wien kann man nun Zustände von Stickstoff-Atomen umschalten, selbst wenn sich nicht alle Details des Experiments exakt kontrollieren lassen. Das könnte sich als nützlich für künftige Quantencomputer erweisen. [...]

Präzision ist gefragt, wenn man quantenphysikalische Experimente durchführen will. An der TU Wien forscht man an Stickstoffatomen, die in Diamanten eingebaut sind. Um den Quantenzustand eines solchen Atoms zu verändern und wirklich sicher sein zu können, dass das Ergebnis stimmt, muss man das System allerdings mit einem exakt richtigen Mikrowellenpuls bestrahlen. In der Praxis ist das ein schwieriges Problem. Nun gelang es, ein Rezept für die Herstellung „robuster“ Quanten-Umschaltprozesse zu entwickeln, das auch dann noch zum richtigen Ergebnis führt, wenn die Anfangsbedingungen mit gewissen Fehlern behaftet sind.

MODELL FÜR QUANTENTECHNOLOGIE

Quantenphysikalische Systeme, deren Zustand gezielt umgeschaltet werden kann, benötigt man in unterschiedlichen Bereichen. Man kann sie etwa verwenden, um extrem präzise Messgeräte zu bauen, und auch an Konzepten für Quantencomputer wird geforscht. Ein besonders interessantes Quantensystem sind Stickstoffatome, die in einem winzigen Diamanten eingebaut sind. Gemessen an der Zeit, die man benötigt, um sie zu manipulieren, bleibt ihr Zustand relativ lange stabil, daher eignen sie sich gut als Speicher für Quanteninformation. Mit Mikrowellen kann man die Stickstoffatome recht einfach zwischen zwei verschiedenen Quantenzuständen unterschiedlicher Spinrichtung hin und her schalten.

Wenn man wirklich sicher sein will, das Atom in den richtigen Zustand gebracht zu haben, muss man genau wissen, welchen Mikrowellenpuls man braucht. „Die einfachste Variante ist, die Atome für eine bestimmte Zeit mit konstanter Mikrowellenstrahlung zu beleuchten“, erklärt Tobias Nöbauer aus der Arbeitsgruppe von Johannes Majer am Atominstitut der TU Wien (T. Nöbauer forscht inzwischen am Forschungsinstitut für molekulare Pathologie, Wien). Die genau richtige Zeitspanne für die Mikrowellenbestrahlung zu erwischen, ist allerdings schwierig. „Ob man am Ende tatsächlich genau den richtigen Quantenzustand erreicht, hängt von vielen Faktoren ab“, erklärt Nöbauer. „Von der genauen Frequenz der Mikrowellenstrahlung, von mikroskopischen Details der Probe und störenden Feldern von außen.“ Man kann es niemals schaffen, über all diese Fehlerquellen perfekt Bescheid zu wissen – für die Praxistauglichkeit von Quantentechnologien ist das ein großes Problem.

INTELLIGENTE FEHLERKORREKTUR

Manchmal ist es aber sinnvoll, nicht den kürzesten Weg zu gehen, sondern den robustesten. In Zusammenarbeit mit der Gruppe von Florian Mintert am Freiburg Institute for Advanced Studies / Imperial College London wurde in Computersimulationen berechnet, wie man verschiedene Mikrowellenfrequenzen optimal überlagern kann, sodass sie zu einem Umschaltprozess des Stickstoffatoms führen, selbst wenn bestimmte äußere Parameter etwas anders sind als gedacht.