Qubit - Implementierung Von Qubits

Theoretisch kann jedes quantenmechanische Zweizustandssystem als Qubit verwendet werden. In der Praxis jedoch sind viele Systeme ungeeignet, da sie nicht in ausreichendem Maße manipulierbar sind oder zu stark von der Umgebung gestört werden. Zudem ergibt sich das Problem der Skalierbarkeit: Manche Implementierungen, wie z. B. die Verwendung der Kernspinresonanz in Molekülen, eignen sich prinzipbedingt nur für eine sehr beschränkte Zahl von Qubits. Für die Verwendbarkeit eines Systems als Qubit hat David DiVincenzo sieben Kriterien aufgestellt. Die ersten fünf Kriterien betreffen auch die Verwendung in Quantencomputern, die letzten beiden gelten speziell für die Quantenkommunikation. Die fünf allgemeinen Kriterien lauten: Das System muss wohldefinierte Qubits besitzen und skalierbar sein, d. h. es muss prinzipiell auf beliebig viele Qubits erweiterbar sein. Es muss möglich sein, die Qubits in einem reinen Zustand zu präparieren (mindestens in den Zustand | 00000 … ⟩ {\displaystyle \left|00000\ldots \right\rangle } ). Das System muss eine hinreichend lange Dekohärenzzeit aufweisen. Das System muss die Implementierung eines universellen Satzes von Quantengattern erlauben. Ein Beispiel wäre z. B. alle 1-Qubit-Gatter und zusätzlich das CNOT-Gatter. Es muss möglich sein, jedes einzelne der Qubits gezielt zu messen.Die zwei zusätzlichen Kriterien für Quantenkommunikation lauten: Es muss möglich sein, stationäre Qubits in bewegliche Qubits zu transformieren und umgekehrt. Ein Austausch der beweglichen Qubits muss zwischen entfernten Orten möglich sein.In der Praxis werden unter anderem die folgenden Systeme untersucht:

Ionen in Ionenfallen

Ein vielversprechender Ansatz für Quantencomputer ist die Verwendung von Ionen in Ionenfallen. Hierbei werden einzelne Ionen durch elektromagnetische Felder im Vakuum wie an einer Perlenkette aufgereiht. Die Qubits werden dabei durch jeweils zwei langlebige Zustände der einzelnen Ionen gebildet; die Zahl der Qubits ist identisch mit der Zahl der Ionen in der Falle. Die Manipulation der Qubits erfolgt über Laser, die mit den einzelnen Ionen wechselwirken. Über die Bewegung der Ionen in der Falle lassen sich die Qubits miteinander koppeln und so verschränken. Mit dieser Technologie konnten bereits bis zu 14 Qubits miteinander verschränkt werden

Elektronen in Quantenpunkten

Ein weiterer Ansatz ist die Verwendung von Quantenpunkten. Quantenpunkte sind quasi-nulldimensionale Halbleiterstrukturen, in denen Elektronen nur diskrete Zustände einnehmen können; man spricht daher auch oft von Designer-Atomen. Ein Vorteil der Quantenpunkt-Technologie ist, dass bei der Herstellung erprobte Halbleiter-Methoden angewandt werden können.

SQUIDs

Auch mit SQUIDs lassen sich Qubits implementieren. SQUIDs sind Systeme aus Supraleitern, die durch zwei parallele Josephson-Kontakte verbunden sind. Die Manipulation der Qubits erfolgt über die angelegte Spannung und das Magnetfeld.

Kernspinresonanz

Auch die Spins der Kerne von Molekülen können Qubits repräsentieren, die über Kernspinresonanz manipuliert/ausgelesen werden können. Dies ist eine technisch besonders einfache Methode, die jedoch nicht den DiVincenzo-Kriterien entspricht. Insbesondere ist die Methode nicht skalierbar, zudem kann hierbei nicht ein einzelnes System (also ein einzelnes Molekül) gemessen werden, sondern man hat es mit vielen gleichartigen Molekülen auf einmal zu tun.

Photonenzustände

Die weiter oben beschriebene Polarisation von Photonen bildet ein Beispiel für bewegliche Qubits. Sie eignet sich nicht für Quantenrechnungen, kann aber per Glasfaser problemlos auch über größere Strecken übertragen werden. Experimente zur Quantenkommunikation und Quantenkryptographie verwenden daher nahezu ausschließlich Photonen-Polarisationszustände.


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