Tommaso Calarco gilt als wichtiger Impulsgeber und einer der führenden Quantenphysiker der Welt. Der Jülicher Forscher ist einer der Urväter des europäischen Quantenmanifests, das vor ein paar Jahren in das milliardenschwere EU-Quanten-Flaggschiffprogramm mündete. Sein Spezialgebiet ist das Optimieren von Quantenprozessen. Forschende, unter anderem in Harvard und Wien, nutzen seine Codes, um ihre Quantenexperimente zu justieren.

Schon vor über zehn Jahren trieb den Jülicher Physiker die Frage um, wo die obere Grenze liegt, über die hinaus sich Quanten-Transportprozesse nicht weiter beschleunigen lassen. In Versuchen mit Forschern der Universität Bonn ist es ihm nun gelungen, dieses Tempolimit für komplexe Quantenoperationen genau zu bestimmen.

Prof. Dr. Tommaso Calarco, Direktor am Peter Grünberg Institut, Institutsbereich »Quantum Control« (PGI-8), und Professor für Theoretische Physik an der Universität zu Köln

Copyright: Forschungszentrum Jülich / Sascha Kreklau

Herr Professor Calarco, welche Bedeutung hatte dieses Experiment an der Universität Bonn?

Das war ein tatsächlich ein echtes »Textbook-Experiment«, also ein Experiment fürs Lehrbuch. Es gab vorher schon Anzeichen, dass es so etwas wie ein Quanten-Speed-Limit gibt. Aber eine systematische Untersuchung, speziell für den Quanten-Transport, gab es bisher noch nicht. Das Ergebnis ist natürlich wissenschaftlich sehr interessant, und es ist auch technologisch wichtig.

Inwiefern ist dieser Wert, den Sie gefunden haben, wichtig für künftige Anwendungen?

Das Problem ist: Bei einem Quantencomputer kann man es nicht vermeiden, dass durch Wechselwirkungen mit der Umgebung sogenannte Dekohärenz erzeugt wird. Nach einer gewissen Zeit verliert jedes Quantensystem seine Quanteneigenschaften. Deshalb muss man alle Operationen innerhalb dieser Kohärenzzeit durchführen.

Im Experiment ging es um den Transport von Atomen. Ähnliche Operationen laufen auch in einem Quantencomputer ab. Wenn Quantenbits durch Atome realisiert werden, dann müssen diese von einer Region im Prozessor in eine andere verschoben werden. Das ist exakt der Prozess, den man sehr schnell machen muss, sonst verliere ich meine Kohärenz. Dank des Quanten-Speed-Limits kann man nun genau vorhersagen, welche Geschwindigkeit theoretisch möglich ist.

Was bedeutet das Limit für die Rechengeschwindigkeit von Quantencomputern – werden die vielleicht gar nicht so schnell sein wie gedacht?

Nein, das sind zwei völlig unterschiedliche Dinge. Dass ein Quantencomputer so schnell rechnen kann, hat in erster Linie nicht mit der Dauer, sondern mit der Anzahl der Operationen zu tun. Ein Quantencomputer braucht viel weniger Operationen als ein klassischer Computer, um eine bestimmte Aufgabe zu meistern. Mit einem Quantencomputer zu rechnen ist so ähnlich, wie den Ausgang aus einem Labyrinth zu finden, ohne alle möglichen Wege nacheinander prüfen zu müssen. Darin liegt auch die Beschleunigung: Den Quantencomputer muss ich nur einmal durch das Labyrinth schicken, während ich mit einem klassischen Computer sehr viele Wege ausprobieren muss.

In diesem Sinne ergeben sich für die Rechengeschwindigkeit eines Quantencomputers also keine Konsequenzen. Das Quanten-Speed-Limit ist aber aus einem anderen Grund interessant. Und zwar geht es da um die Frage, wie viele Quanten-Operationen ich durchführen kann, bevor es zur Dekohärenz kommt.

Sie vergleichen Ihre Quanten-Kontrollmethoden gerne mit der Tätigkeit eines erfahrenen Kellners. Wo liegen die Gemeinsamkeiten?

Wenn ich ein Atom von einer Stelle zur anderen transportieren will, dann verhält sich mein Atom nicht wie ein Punkt, sondern wie eine Welle, wie eine Flüssigkeit in einem Glas, und ich muss vermeiden, dass sie raus geht. Wir haben es also mit einer ähnlichen Aufgabe zu tun wie ein Kellner, der ein Tablett mit Gläsern zu den Gästen an den Tisch bringen will, ohne dabei etwas zu verschütten.

Im Labor nutzen wir Laserfelder, die verhindern, dass das Atom verloren geht. Und das ist schwierig. Ich könnte das Atom natürlich ganz langsam bewegen. Das ist aber nicht sehr effizient. Auch der Kellner könnte ja ganz langsam laufen. Aber dann dauert es möglicherweise zu lange, wenn gerade viel los ist, oder der Champagner wird warm. Ein erfahrener Kellner wird daher das Tablett kippen, um schneller zu werden. Danach dreht er es wieder, um abzubremsen und so den gesamten Vorgang zu beschleunigen.

Man kann eigentlich nur iterativ lernen, wie es am besten funktioniert. Unser Algorithmus macht das automatisch, mit Atomen. Der schnellste Weg ist nicht immer direkt von A nach B. Oft muss man die Atome hin und her bewegen, in einer Art Wellenbewegung. Auf der Website www.scienceathome.org kann diese Aufgabe jeder nachspielen und testen, wie das funktioniert.

Fachmeldung vom 22. Februar 2021: Auch in der Quantenwelt gilt ein Tempolimit

Auch in der Quantenwelt gilt ein Tempolimit

Auch in der Welt der kleinsten Teilchen mit ihren besonderen Regeln können die Dinge nicht unendlich schnell ablaufen. Eine neue Studie hat nun gezeigt, welches Tempolimit für komplexe Quantenoperationen gilt. An der Arbeit waren Forschende der Universitäten Bonn, Hamburg, Köln und Padua sowie des US-amerikanischen MIT und des Forschungszentrums Jülich beteiligt. Die Ergebnisse sind unter anderem für die Realisierung von Quantencomputern wichtig.

Mal angenommen, Sie beobachten einen Kellner (der Lockdown sei bereits Geschichte), der in der Silvesternacht wenige Minuten vor dem Jahreswechsel noch ein ganzes Tablett mit gefüllten Sektkelchen servieren muss. Er eilt in höchster Geschwindigkeit von Gast zu Gast. Dank seiner in vielen Berufsjahren perfektionierten Technik gelingt es ihm dennoch, kein Tröpfchen der kostbaren Flüssigkeit zu verschütten.

Atome ähneln in gewisser Hinsicht dem teuren Sekt: Sie lassen sich als Materiewellen beschreiben, die sich nicht wie eine Billardkugel, sondern wie eine Flüssigkeit verhalten. Wer Atome möglichst schnell von einem Ort zum anderen transportieren möchte, muss sich ähnlich geschickt anstellen wie der Kellner in der Silvesternacht.

Irgendwo gibt es jedoch eine Grenze, über die hinaus sich der Vorgang nicht weiter beschleunigen lässt. Das gilt für Atome genauso wie für die Sektkelche auf dem Tablett. Wo sie genau liegt, haben die Forschenden nun experimentell untersucht.

Caesium-Atom als Sektersatz

Als »Sekt-Ersatz« diente ihnen ein Caesium-Atom, als »Tablett« zwei gegeneinander gerichtete Laserstrahlen, die sich überlagerten. Durch diese Überlagerung entsteht eine stehende Lichtwelle: eine Abfolge von Bergen und Tälern, in denen sich das Caesium-Atom einfangen und transportieren lässt.

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Transport einer Materiewelle mittels stehender Lichtwellen
Copyright: M. R. Lam et al., Demonstration of Quantum Brachistochrones between Distant States of an Atom, Phys. Rev. X, https://doi.org/10.1103/PhysRevX.11.011035 (CC BY 4.0)

Wichtig sind die Erkenntnisse der Physiker unter anderem für das Quantencomputing. Denn Quantenzustände sind sehr empfindlich; sie überdauern nur eine kurze Zeit, die die Physiker Kohärenzzeit nennen. Die neue Studie zeigt, wie viele Operationen in dieser Zeitspanne maximal ablaufen können – um diese optimal auszunutzen.

Grenzwert für komplexe Operationen

Dass auch für den Quanten-Transport ein fundamentales Tempolimit gilt, haben die zwei sowjetischen Physiker Leonid Mandelstam und Igor Tamm bereits Mitte des letzten Jahrhunderts nachgewiesen. Man kann dieses allerdings nur unter bestimmten Umständen erreichen, nämlich in Systemen, in denen es lediglich zwei Quantenzustände gibt.

Anders sieht es dagegen aus, wenn aus dem Zwei-Niveau- ein Multi-Niveau-System wird. Beispielsweise weil der Abstand wächst, und das Teilchen seinen Ortswechsel in mehreren Zwischenschritten vollzieht. Auch Berechnungen, die mit Quantenrechnern möglich sind, basieren meist auf der Manipulation von Multi-Niveau-Systemen. Für diese Art von Systemen gilt die von den Forschenden bestimmte niedrigere Grenze.

Originalpublikation:

Manolo R. Lam, Natalie Peter, Thorsten Groh, Wolfgang Alt, Carsten Robens, Dieter Meschede, Antonio Negretti, Simone Montangero, Tommaso Calarco und Andrea Alberti:
Demonstration of Quantum Brachistochrones between Distant States of an Atom
Physical Review X (published online 19 February 2021), DOI: 10.1103/PhysRevX.11.011035

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