Wenn Fermionen Plätze tauschen: Neue Wege zur Quantenlogik 

In einer neuen Nature-Studie verbinden Forschende digitale Quantengatter und analoge Simulation 

Ein Forschungsteam am MPQ hat Quantengatter mit fermionischen Atomen realisiert und eine Genauigkeit von 99,75 % erreicht; die dabei erzeugten verschränkten Zustände bleiben über zehn Sekunden stabil – ein Rekord. Die Plattform basiert auf Atomen, die denselben quantenmechanischen Regeln folgen wie Elektronen in Materialien, und ermöglicht so die direkte Untersuchung fermionischer Systeme. Die Kombination von digitalen Quantengattern mit einem analogen Quantensimulator eröffnet einen neuen hybriden Ansatz für Materialforschung, Quantenchemie und komplexe Quantensysteme. Die Ergebnisse wurden heute im Fachmagazin Nature veröffentlicht.

Fermionen – dazu zählen Teilchen wie Elektronen, Protonen oder ganze Atome – folgen bestimmten Regeln, die die Eigenschaften vieler Materialien prägen: Zwei Fermionen können beispielsweise nicht denselben Zustand gleichzeitig einnehmen. Die daraus entstehenden Wechselwirkungen sind komplex, aber entscheidend für das Verständnis von physikalischen Systemen.

Um fermionische Interaktionen zu untersuchen, stoßen selbst klassische Supercomputer schnell an ihre Grenzen, denn die Zahl der möglichen Quantenzustände wächst mit jedem zusätzlichen Teilchen stark an. Auch gewöhnliche Quantencomputer lösen dieses Problem nicht unmittelbar. Sie arbeiten mit Qubits, die anderen statistischen Regeln als Fermionen folgen. Die speziellen Austauschregeln der Fermionen müssen daher erst durch aufwendige Transformationen in die Sprache der Qubits übersetzt werden – ein zusätzlicher Rechenaufwand, der die Simulation deutlich erschwert.

Das Forschungsteam am MPQ wählte einen anderen Ansatz und entwickelte einen „natürlichen“ Quantencomputer, der auf echten fermionischen Teilchen basiert: „Statt Elektronen kompliziert zu berechnen, bauen wir ihr Verhalten direkt nach“, erklärt Titus Franz, der Letztautor der Nature-Studie, „so können wir schon heute große Quantensysteme untersuchen und etwa Supraleitung besser verstehen.“

Ein Eierkarton aus Licht

Für ihren „natürlichen“ Quantencomputer kühlen die Physikerinnen und Physiker die Atome stark ab und ordnen sie in einem optischen Gitter an, das einem dreidimensionalen Eierkarton aus Licht ähnelt. Dort können die Atome gezielt kollidieren. Treffen sie aufeinander, tauschen sie Informationen aus und werden verschränkt – sie sind auf quantenmechanische Weise verbunden, selbst wenn sie wieder getrennt werden.

Dank der gezielten Beobachtung und Steuerung einzelner Atome konnten die Forschenden nun ein zentrales Quantengatter realisieren: das Spin-Austausch-Gatter. Quantengatter bilden die elementaren Rechenoperationen eines Quantencomputers. Besonders wichtig sind dabei jene Gatter, die Teilchen miteinander verschränken – also quantenmechanisch koppeln – und damit komplexe Quantenalgorithmen ermöglichen.

Der Ausgangspunkt ist ein „Doppeltopf“ – zwei nebeneinanderliegende Mulden im Lichtgitter, in denen jeweils ein Atom Platz findet. Im Doppeltopf sitzt zu Beginn ein Atom mit „Spin-up“ in der einen Mulde und ein Atom mit „Spin-down“ in der anderen, wobei der Spin die intrinsische Eigenschaft des jeweiligen Atoms beschreibt, vergleichbar mit einem kleinen Magneten.

Wenn Atome Plätze tauschen

Für das Quantengatter senkte das Team die Barriere zwischen den beiden Mulden ab, sodass die Atome kurz miteinander wechselwirken. Zwar erscheinen die Atome im Quantenmikroskop zufällig verteilt, tatsächlich bleiben sie aber perfekt antikorreliert: Sitzt ein Atom in einer Mulde, sitzt das andere automatisch in der gegenüberliegenden. Auf diese Weise entstehen verschränkte Quantenzustände, die für die grundlegenden Operationen mit Quantenrechnern nötig sind.

Wiederholte Sequenzen zeigten eine Genauigkeit von 99,75 %, vergleichbar mit den besten Quantengattern in Neutralatom-Systemen. Die erzeugten Quantenzustände blieben über zehn Sekunden stabil – außergewöhnlich lange für ein Quantensystem und viele Größenordnungen länger als die Dauer des Gatters selbst.

„Mit dem Quantengasmikroskop können wir jedes einzelne Atom in seiner Dynamik beobachten“, sagt Petar Bojovic, Erstautor der Studie. „So verstehen wir das Gesamtsystem viel besser, können Fehler gezielt identifizieren und die Abläufe optimieren. In Zukunft wollen wir ähnliche Methoden nutzen, um die Atome auch einzeln zu steuern.“

Neue Perspektiven für die Quantenlogik

Die Experimente zeigen, dass kontrollierte Kollisionen zwischen Atomen präzise Quantenoperationen mit hoher Genauigkeit ermöglichen – und eröffnen damit eine neue Plattform für Quantencomputing. „Besonders spannend ist, dass wir dieselbe Plattform, die wir bisher für analoge Quantensimulation verwendet haben, nun auch für digitale Operationen nutzen können“, sagt Titus Franz. „Das erlaubt uns, das Beste aus beiden Welten zu kombinieren: die Simulation großer Quantensysteme über lange Zeiten und gleichzeitig präzise Quantengatter für neue Messgrößen. So hoffen wir beispielsweise, Hochtemperatursupraleitung direkt untersuchen zu können.“

Langfristig plant das Team, die Systeme weiter zu skalieren und um die lokale Kontrolle einzelner Atome zu erweitern. Ziel ist es, noch größere und präzisere Quantenschaltkreise zu realisieren und neue Perspektiven für programmierbare fermionische Quantenprozessoren zu eröffnen. Damit könnten sich künftig Anwendungen in der Quantenchemie und der Entwicklung neuartiger Materialien erschließen.