Stabilität durch geometrische Phasen

In den stillen Laboren der ETH Zürich, weit entfernt vom Lärm der großen Tech-Hubs, arbeiten theoretische Physikerinnen und Physiker an einem Problem, das alle Quantencomputer-Entwickler umtreibt: der Fragilität der Quanteninformation. Qubits zerfallen. Sie verlieren ihre Kohärenz, wenn sie mit ihrer Umgebung wechselwirken. Dies ist kein theoretisches Konstrukt, sondern ein physikalisches Faktum, das die Skalierung von Quantencomputern bisher massiv behinderte. Die ETH-Forschenden haben nun einen Weg gefunden, dieser Instabilität entgegenzuwirken, indem sie nicht gegen das Rauschen ankämpfen, sondern es durch eine elegante geometrische Struktur umgehen.

Die Lösung liegt in neutralen Atomen. Diese Atomkerne und ihre Hülle aus Elektronen bilden ideale Qubits, da sie in der Regel isoliert und kaum störanfällig sind. Doch um sie zu manipulieren, benötigt man präzise Laserfelder. Hier setzt die neue Methode an. Die Forschenden realisieren quantenlogische Operationen, die auf sogenannten geometrischen Phasen beruhen. Was klingt wie abstrakte Mathematik, entpuppt sich in der Praxis als extrem robuste Ingenieursleistung.

Geometrische Phasen, auch bekannt als Berry-Phasen oder Pancharatnam-Berry-Phasen, hängen nicht vom genauen Zeitverlauf der Manipulation ab, sondern nur von der Form des Weges, den das System im Parameterraum zurücklegt. Stellen Sie sich vor, Sie tragen einen Stab senkrecht zur Erde um den Äquator. Am Zielort zeigt der Stab in eine andere Richtung, obwohl Sie ihn nie gedreht haben. Diese Drehung ist rein geometrisch bedingt. In der Quantenwelt überträgt sich dies auf den Zustand des Qubits. Da die Information in der globalen Geometrie des Pfade kodiert ist, bleibt sie unverändert, selbst wenn kleine Störungen den exakten Timing oder die Intensität der Laserpulse leicht verfälschen. Das ist der entscheidende Vorteil gegenüber dynamischen Phasen, die empfindlich auf jede Schwankung der Steuervoltages reagieren.

Die experimentelle Realisierung dieser Theorie an der ETH war kein kleiner Schritt. Sie erforderte die Kontrolle von Atomen in optischen Pinzetten, winzigen Fallen, die mit fokussierten Laserstrahlen erzeugt werden. In diesen...