Ein atomares Katzenvideo | heise online

Forschende der Universität für Wissenschaft und Technologie China (USTC) in Hefei haben eine neue Technik entwickelt, mit der sie Atome schnell und präzise in zwei und drei Dimensionen anordnen. Entscheidender Schritt dafür war die Einbindung von Künstlicher Intelligenz (KI) in einem Schritt. Die Ergebnisse der Studie wurden in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht und von anderen Forschungsteams laut Co-Autor Jian-Wei Pan bereits erfolgreich reproduziert.

Eine vielversprechende Plattform für die Realisierung von Qubits in Quantencomputern sind neutrale, also ungeladene Atome. Um viele davon zu kombinieren und gezielt miteinander interagieren zu lassen, ist ein essenzieller Schritt, die Atome präzise in regelmäßigen Gittern anzuordnen, zu verschieben und zu kontrollieren. Nachdem die Gitter zufällig mit Atomen gefüllt wurden, nutzen Forschende fokussierte Laserstrahlen, sogenannte optische Pinzetten, um sie in der gewünschten Geometrie anzuordnen. Fluoreszenz macht die Atome schließlich sichtbar.

Schnell verschoben dank KI

Das chinesische Team füllt ein Gitter mit einer Kantenlänge von einigen Hundert Mikrometern mit Hunderten oder Tausenden Atomen. Computeralgorithmen berechnen den effizientesten Weg, die Atome von ihrer zufälligen Startposition an die gewünschte Zielposition zu verschieben. Diesen Weg teilen die Forschenden in mehrere Schritte. Die KI findet dann in Echtzeit die optimalen Lichtmuster für die optischen Pinzetten, die die Atome an die richtige Stelle schieben.

„Diese Berechnungen können ziemlich viel Zeit in Anspruch nehmen, wenn die Gitter immer größer werden“, sagt Mark Saffman, Physiker an der University of Wisconsin–Madison, der nicht an der Studie beteiligt war, gegenüber Nature. Deshalb seien viele seiner Kollegen „von dieser Arbeit sehr beeindruckt, genauso wie ich“.

Denn unabhängig von der Anzahl der Atome bleibt die Zeit für eine Umordnung bei konstant 60 Millisekunden. Zum Vergleich: Im vergangenen Jahr benötigte ein französisches Team eine Sekunde, um 800 Atome ohne KI anzuordnen.

Ein Video über Schrödingers Katze

Um die Leistungsfähigkeit des Systems zu demonstrieren, erstellte das Team eine Animation des Gedankenexperiments um Schrödingers Katze. Dafür ordnete es bis zu 549 Atome in verschiedenen Mustern auf einem Gitter mit einer Kantenlänge von 230 µm an. Die Animation ist eine vergrößerte und verlangsamte Darstellung der tatsächlichen atomaren Bewegungen, die in der Realität nur Millisekunden benötigen.

In seiner Publikation präsentiert das Team auch regelmäßige und abstrakte Strukturen in zwei und drei Dimensionen mit bis zu 2024 Atomen.

Das Team sieht Potenzial, die Methode auf Gitter mit Zehntausenden Atomen auszuweiten. Diese Skalierbarkeit wäre ein entscheidender Schritt, um die Fehlerkorrektur in Quantencomputern zu verbessern und langfristig komplexe Berechnungen mit minimalen Fehlern durchzuführen.

(spa)