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Physiker brachten einen Quantencomputer zum Laufen, indem sie ihn mit Laserimpulsen der Fibonacci-Folge beschossen

Einem Team von Physikern ist es nach eigenen Angaben gelungen, eine neue Phase der Materie zu schaffen, indem sie Laserpulse, die die Fibonacci-Folge auslesen, auf einen Quantencomputer in Colorado schossen. Die Materiephase beruht auf einer Eigenart der Fibonacci-Folge, um länger in einem Quantenzustand zu bleiben.

Von Isaac Schultz

So wie gewöhnliche Materie in einer festen, flüssigen, gasförmigen oder überhitzten plasmatischen Phase (oder Zustand) vorliegen kann, haben auch Quantenmaterialien Phasen. Die Phase bezieht sich darauf, wie die Materie auf atomarer Ebene strukturiert ist – zum Beispiel die Anordnung der Atome oder der Elektronen. Vor einigen Jahren entdeckten Physiker einen Quanten-Superfestkörper, und im vergangenen Jahr bestätigte ein Team in einem Simulator die Existenz von Quanten-Spin-Flüssigkeiten, einer lange vermuteten Phase von Quantenmaterie. Das neue Team glaubt, eine weitere neue Phase entdeckt zu haben.

Quantenbits, oder Qubits, sind wie gewöhnliche Computerbits, da ihre Werte 0 oder 1 sein können, aber sie können auch gleichzeitig 1 oder 0 sein, ein Zustand der Mehrdeutigkeit, der es den Computern ermöglicht, viele mögliche Lösungen für ein Problem viel schneller zu berücksichtigen als ein gewöhnlicher Computer. Quantencomputer sollten irgendwann in der Lage sein, Probleme zu lösen, die klassische Computer nicht lösen können.

Bei den Qubits handelt es sich häufig um Atome; im jüngsten Fall verwendeten die Forscher 10 Ytterbium-Ionen, die durch elektrische Felder gesteuert und mit Laserimpulsen manipuliert wurden. Wenn die Zustände mehrerer Qubits in Relation zueinander beschrieben werden können, werden die Qubits als verschränkt bezeichnet. Bei der Quantenverschränkung handelt es sich um eine heikle Übereinkunft zwischen mehreren Qubits in einem System, die in dem Moment aufgelöst wird, in dem einer der Werte eines dieser Bits feststeht. In diesem Moment wird das System dekohärent, und die Quantenoperation fällt auseinander.

Eine große Herausforderung bei der Quanteninformatik ist die Aufrechterhaltung des Quantenzustands der Qubits. Die geringsten Temperaturschwankungen, Vibrationen oder elektromagnetischen Felder können dazu führen, dass die hochempfindlichen Qubits dekohärent werden und ihre Berechnungen nicht mehr funktionieren. Je länger die Qubits im Quantenzustand verbleiben, desto mehr können sie berechnet werden, so dass es für die Forschung von entscheidender Bedeutung ist, die Quantenzustände von Computern so lange wie möglich aufrechtzuerhalten.

Bei den jüngsten Forschungsarbeiten wurden die 10 Ytterbium-Qubits durch periodisches Pulsieren eines Lasers 1,5 Sekunden lang in einem Quantenzustand gehalten, d. h. sie waren verschränkt. Als die Forscher die Laser jedoch nach dem Muster der Fibonacci-Folge pulsierten, stellten sie fest, dass die Qubits am Rand des Systems etwa 5,5 Sekunden lang in einem Quantenzustand blieben, also während der gesamten Dauer des Experiments (die Qubits hätten auch länger in einem Quantenzustand bleiben können, aber das Team beendete das Experiment an der 5,5-Sekunden-Marke). Ihre Forschungsergebnisse wurden diesen Sommer in Nature veröffentlicht.

Man kann sich die Laserpulse der Fibonacci-Folge als zwei Frequenzen vorstellen, die sich nie überschneiden. Das macht die Pulse zu einem Quasikristall: ein Muster, das Ordnung, aber keine Periodizität aufweist.

„Das wichtigste Ergebnis war für mich, den Unterschied zwischen den beiden verschiedenen Methoden zur Erzeugung von Quantenzuständen aufzuzeigen und zu zeigen, dass die eine Methode besser vor Fehlern schützt als die andere“, sagte Studienmitautor Justin Bohnet, ein Quanteningenieur bei Quantinuum, dem Unternehmen, dessen Computer bei dem jüngsten Experiment verwendet wurde.

Die Fibonacci-Folge ist ein Zahlenmuster, bei dem jede Zahl die Summe der beiden vorhergehenden Zahlen ist (also 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13 und so weiter). Ihre Geschichte reicht über 2.000 Jahre zurück und ist mit dem so genannten Goldenen Schnitt verbunden. Nun könnte die einzigartige Reihe Auswirkungen auf die Quanten haben.

„Es stellt sich heraus, dass ein Quantensystem Symmetrien aufweisen kann, die aus der Zeittranslation stammen, wenn man Laserpulse auf die richtige Art und Weise konstruiert“, so Philipp Dumitrescu, Hauptautor der Studie und Quantenphysiker, der die Arbeit am Flatiron Institute durchgeführt hat. Eine Zeittranslationssymmetrie bedeutet, dass ein Experiment das gleiche Ergebnis liefert, unabhängig davon, ob es heute, morgen oder in 100 Jahren stattfindet.

„Wir haben erkannt, dass man mit quasi-periodischen Sequenzen, die auf dem Fibonacci-Muster basieren, das System dazu bringen kann, sich so zu verhalten, als gäbe es zwei verschiedene Zeitrichtungen“, so Dumitrescu.

Das Beschießen der Qubits mit Laserpulsen mit einem periodischen Muster (ein einfaches A-B-A-B) führte nicht zu einer Verlängerung des Quantenzustands des Systems. Durch das Pulsen des Lasers in einer Fibonacci-Folge (A-AB-ABA-ABAAB usw.) gaben die Forscher den Qubits jedoch ein sich nicht wiederholendes oder quasi-periodisches Muster.

Es ähnelt den Quasikristallen aus dem Trinity-Atomtestgelände, aber statt eines dreidimensionalen Quasikristalls haben die Physiker einen Quasikristall in der Zeit erzeugt. In beiden Fällen können Symmetrien, die in höheren Dimensionen existieren, in eine niedrigere Dimension projiziert werden, wie die mosaikartigen Muster in einer zweidimensionalen Penrose-Kachel.

„Bei dieser quasi-periodischen Sequenz gibt es eine komplizierte Entwicklung, die alle Fehler am Rande ausgleicht“, so Dumitrescu in einer Mitteilung der Simons-Stiftung. Mit „am Rand“ meint er die Qubits, die zu einem bestimmten Zeitpunkt am weitesten vom Zentrum ihrer Konfiguration entfernt sind. „Aus diesem Grund bleibt der Rand viel, viel länger quantenmechanisch kohärent, als man erwarten würde. Die Laserpulse nach dem Fibonacci-Muster machten die Rand-Qubits robuster.

Robustere, langlebigere Quantensysteme sind für die Zukunft der Quanteninformatik von entscheidender Bedeutung. Wenn es nötig ist, Qubits mit einem ganz bestimmten mathematischen Rhythmus von Laserpulsen zu beschießen, um einen Quantencomputer in einem verschränkten Zustand zu halten, dann sollten die Physiker besser anfangen zu schießen.

Bild: Fraktal, welches auf einer Fibonacci-Folge beruht
Autor: Julius H.
Quelle: pixabay.com
Lizenz: public domain
Textquelle via gizmodo.com

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