„Unser Freund, das Atom“ war ein Film aus dem Hause Disney, der 1957 das Image der Atomphysik, genauer gesagt der des Atomkerns, verbessern sollte. Es ist ambivalent geblieben. Aber vielleicht kommt das Atom trotzdem noch zu einem Ruf, wie es das Bit genießt, die Basis unserer digitalen Wunderwelt. Die Aussicht darauf erhöhen nun zwei Fachartikel in „Nature“.

Dort gelang es Forschergruppen aus Harvard beziehungsweise der University of Wisconsin in Madison, Atome als sogenannte Qubits einzusetzen und damit erstmals Quantencomputer-Schaltungen von praktikabler Komplexität zu konstruieren. Während sich ein Bit in jeweils nur einen von zwei Zuständen befindet, kann ein Qubit beide gleichzeitig annehmen. Durch geeignetes Hantieren mit Qubits lassen sich daher Berechnungen anstellen, die auf digitalen Rechnern nur mit extremem Aufwand an Zeit, Energie und Hardware oder aber gar nicht möglich sind. Bedenkt man, wie sehr die binäre Datenverarbeitung die Welt verändert hat, leuchtet ein, warum sich heute so viele Forscher, auch in der Privatwirtschaft, um den Bau praktika­bler Quantencomputer bemühen.

Dabei werden verschiedene Ansätze verfolgt, Qubits in verschiedenen physikalischen Systemen zu realisieren. Supraleitende Schaltkreise hatten bislang die meisten Schlagzeilen, insbesondere die der Firmen IBM und Google. In elektrischen und magnetischen Feldern gefangene Ionen haben mit die längste Forschungsgeschichte. Aber auch mit Molekülen oder Fehlstellen in Kristallgittern wird experimentiert.

Monströs aufgeblähte Atomhüllen verschränken sich

Die Forschergruppen aus Harvard und Wisconsin setzen auf neutrale Atome, die in Gittern aus Laserlicht festgehalten werden. Solche Systeme müssen nicht auf tiefste Umgebungstemperaturen gekühlt werden, wie die supraleitende Konkurrenz. Und anders als Ionen lassen sich Atome bei geringem Raumbedarf einsperren, ihre Lichtkäfige andererseits aber auch beliebig vergrößern – skalieren, wie die Physiker sagen. Und infolge ihrer elektrischen Neutralität sind Atome recht unempfindlich für Störungen des fragilen Überlagerungszustandes, in dem sie sich befinden, wenn sie als Qubits fungieren. Diese Unempfindlichkeit ist aber ein Nachteil, wenn es gilt, die Qubits miteinander zu verschränken. Diese Operation, die aus zwei oder mehreren quantenmechanischen Systemen ein einziges macht, dessen Bestandteile sich nicht mehr unabhängig beschreiben lassen, ist fürs Quantenrechnen essenziell.

Beide Teams lösten das Problem, neu­trale Atome miteinander zu verschränken, indem sie Elektronen ihrer Hülle in sogenannte Rydberg-Zustände brachten, in denen die Atome Millionen Mal größer sind und sich leicht miteinander verschränken lassen. Die von Michail Lukin in Harvard geleitete Gruppe begann dabei mit Atompaaren auf benachbarten Plätzen im Lichtgitter, versetzte diese in Rydberg-Zustände und schob sie dann mittels spezieller Laserstrahlen, sogenannter optischer Pinzetten, auf jeweils andere Plätze, um sie dort für den nächsten Rechenschritt mit anderen, ihnen zunächst nicht benachbarten Atomen zu verschränken. Die Forscher um Mark Saffman in Wisconsin ließen die Positionen der Atome dagegen unverändert und erzielten die für Quantenberechnung nötige Komplexität des Systems durch Mehrfachverschränkungen – sogenannte Greenberger-Horne-Zeilinger-Zustände – mittels eigens fokussierter Laser.

Damit gelang ihnen dann auf kleiner Skala die Berechnung eines für klassische Computer notorisch aufwendigen sogenannten NP-schweren Problems. Nun müssen die beiden Verfahren noch beweisen, dass sich diverse Fehlerquellen hinreichend beherrschen lassen. Das Potential neutraler Atome für Anwendungen in sogenannten Quantensimulationen sei zwar schon zuvor bekannt gewesen, sagt Tommaso Calarco, der am Forschungszentrum Jülich das Institut Quantum Control leitet. „Für die Programmierbarkeit eines universellen Quantencomputers ist aber die Fähigkeit entscheidend, beliebige Qubits individuell zu manipulieren und gezielt zu koppeln. Dies wird in den Papers überzeugend demons­triert.“ Neutrale Atome haben damit zu konkurrierenden Ansätzen, etwa dem, der bei Google verfolgt wird, aufgeschlossen. Das Atom wird vielleicht doch noch unser Freund, zumindest der Freund der Quanteninformatiker.