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Quanten-Vertauschungs- oder Swap-Gatter sind ein wichtiger Bestandteil von Quantencomputern mit einer grossen Zahl an Qubits. ETH-Forschende haben ein Swap-Gatter für Qubits aus neutralen Atomen entwickelt, das auf einem besonderen physikalischen Effekt beruht: Der Zustand der Teilchen verändert sich je nach Weg, den sie durchlaufen – nicht durch Störungen von aussen. Durch diese sogenannten geometrischen Phasen reagiert das System deutlich weniger empfindlich auf experimentelles Rauschen oder Ungenauigkeiten. Dieses neuartige Swap-Gatter funktioniert mit einer Genauigkeit von über 99,9 Prozent und kann gleichzeitig auf 17 000 Qubits angewendet werden.
Quantenbits, oder Qubits, die für den Bau von Quantencomputern benötigt werden, gibt es in verschiedenen Arten. In den letzten Jahren haben viele Forschungsinstitute und Firmen auf supraleitendende Schaltkreise und gefangene Ionen gesetzt. Doch auch für neutrale Atome, die mit Laserlicht eingefangen werden, spricht einiges: Da sie keine elektrische Ladung tragen, sind sie weniger störanfällig. Zudem erlaubt das Einfangen mit Laserlicht die einfache Realisierung von mehreren Tausend Qubits in einem einzigen System – mit Supraleitern oder Ionen ist das deutlich schwieriger.
Allerdings sind auch neutrale Atome nicht frei von Problemen. Qubits befinden sich in Quantencomputern in Überlagerungszuständen der logischen Werte 0 und 1. Um Rechnungen mit ihnen zu machen, muss man quantenlogische Operationen, auch Quantengatter genannt, ausführen.
Für solche Quantengatter griff man bislang auf hochangeregte elektronische Zustände (Rydbergatome) oder auf Kollisionen zwischen Atomen sowie den Tunneleffekt zurück. Vor allem der Tunneleffekt, bei dem Teilchen Hindernisse durchqueren, die nach der klassischen Physik nicht zu überwinden wären, hängt jedoch sehr stark von der Intensität des Laserlichts ab. Bereits kleine Ungenauigkeiten oder Schwankungen können daher die Qualität der Quantengatter empfindlich beeinträchtigen.
Unempfindlich gegenüber Rauschen
Einem Forscherteam der ETH Zürich unter der Leitung von Tilman Esslinger, Professor am Institut für Quantenelektronik, ist es nun gelungen, ein sogenanntes Swap-Gatter, also eine Quanten-Vertauschung, mit extrem hoher Güte einzig mithilfe einer geometrischen Phase zu realisieren. Durch diese geometrische Phase verändert sich der Zustand der Teilchen je nach Weg, den sie durchlaufen, und nicht durch Störungen von aussen. Dadurch ist das System sehr robust gegenüber experimentellem Rauschen.
Zudem konnten die Forschenden zeigen, dass das Gatter auf mehrere Tausend Qubits gleichzeitig angewendet werden kann. Die Ergebnisse, die soeben im Fachjournal Nature veröffentlicht wurden, ebnen den Weg für zukünftige Fortschritte bei Quantencomputern mit neutralen Atomen.
Quanten-Vertauschung mit abstrakten Phasen
Bei einem Swap-Gatter werden die Quantenzustände von zwei Qubits miteinander vertauscht: Ist zum Beispiel Qubit A zu Anfang im Zustand 0 und Qubit B im Zustand 1, so ist nach Ausführung des Swap-Gatters Qubit A im Zustand 1 und Qubit B in 0. Swap-Gatter sind wichtig für die Verteilung von Quanteninformation innerhalb eines grösseren Quantencomputers.
«Schon vor einigen Jahren konnten Forschende solche Gatter mit neutralen Atomen im niedrigsten Energiezustand realisieren, allerdings mit Hilfe von dynamischen Phasen durch Tunneln und Kollisionen», sagt Postdoktorand Yann Kiefer. Dynamische Phasen entstehen, wenn sich Teilchen im Raum bewegen oder miteinander wechselwirken. Diese Phasen bestimmen dann den Schwingungszustand der quantenmechanischen Wellenfunktion der Teilchen, die beeinflusst, mit welcher Wahrscheinlichkeit Teilchen in einem bestimmten Quantenzustand beobachtet werden.
Geometrische Phasen dagegen sind abstrakter. Sie treten beispielsweise auf, wenn man die Richtung eines Elektronenspins verändert. Dreht man den Spin um 360 Grad, so zeigt er zwar wieder in dieselbe Richtung, seine Wellenfunktion aber weist eine um 180 Grad veränderte Phase auf.
Auf ähnliche Weise konnten Esslinger und sein Team ein Swap-Gatter realisieren. Dazu fingen sie extrem kalte Kaliumatome in optischen Gittern ein, in denen die Atome durch Laserstrahlen in einer Art künstlichem Kristallgitter festgehalten werden. Durch geschickte Manipulation der Laserstrahlen konnten sie nun Paare von Atomen – deren Spin-Zustände als Qubits fungierten – so nahe zueinander bringen, dass ihre Wellenfunktionen räumlich überlappten.
Robuste Gatter für 17 000 Qubits
Da die verwendeten Kaliumatome Fermionen waren, die sich nach den Gesetzen der Quantenmechanik nicht im exakt gleichen Quantenzustand befinden dürfen, entstand durch die Manipulation eine geometrische Phase. «Im Gegensatz zu dynamischen Phasen ist diese geometrische Phase weitgehend unabhängig davon, wie schnell wir die Atome manipulieren oder wie stark die Laserintensität dabei schwankt», erklärt Konrad Viebahn, Junior-Gruppenleiter des Experiments. Das Resultat: Ein extrem robustes Swap-Gatter, das in weniger als einer Millisekunde mit einer Genauigkeit von 99,91 Prozent die Zustände der beiden Qubits vertauscht – und zwar gleichzeitig für 17 000 Qubit-Paare!
«Wir können jetzt sehr viele Swap-Gatter mit neutralen Atomen herstellen», sagt Tilman Esslinger, «aber natürlich brauchen wir noch ein paar andere Zutaten, um einen funktionierenden Quantencomputer zu bauen.» Einer der nächsten Schritte, so Esslinger, sei die Verknüpfung der Swap-Gatter mit einem Quantengas-Mikroskop. Dies würde es erlauben, einzelne Qubit-Paare sichtbar zu machen und gezielt zu manipulieren. Damit könnten dann Swap-Gatter nur auf bestimmten Qubits ausgeführt werden.
Ausserdem haben die Forschenden bereits gezeigt, dass sie unter Hinzunahme von Kollisionen zwischen den Atomen auch «halbe» Swap-Gatter realisieren können. Solche Gatter führen dazu, dass die Qubits quantenmechanisch miteinander verschränkt werden, was Voraussetzung für die Ausführung von Quantenalgorithmen ist.
Prof. Dr. Tilman Esslinger, ETH Zürich, esslinger(at)ethz.ch, +41 44 633 23 40
Kiefer Y, Zhu Z, Fischer L, Jele S, Gächter M, Bisson G, Viebahn K, Esslinger T: Protected quantum gates using qubit doublons in dynamical optical lattices. Nature, 8. April 2026, doi: 10.1038/s41586-026-10285-1
https://ethz.ch/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2026/04/ein-neuer-knif...
Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars, all interested persons
Physics / astronomy
transregional, national
Research projects, Research results
German
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