Die Gesetze der Quantenphysik sind nicht nur außergewöhnlich – sie bieten auch weitreichende und einzigartige Möglichkeiten für die Informationsverarbeitung und die Kryptographie. Zu den bisherigen Grundbausteinen von Quanten-Maschinen zählen elektrische Schaltkreise in Form von supraleitenden Resonatoren, Licht in Form von Photonen oder Atome in Form von Ionenketten. Alle diese Quanten-Systeme haben jedoch auch ihre Nachteile, und die Wissenschaft sucht daher fortlaufend nach sinnvollen Alternativen.

In ihrer jüngsten Veröffentlichung in Physical Review Research haben Physiker der Universität Konstanz einen Weg gefunden, ein freies Elektron im Vakuum in ein sogenanntes Zwei-Niveau-Quantenbit zu modulieren. Unter Quantenbits – kurz Qubits – versteht man Systeme, die wie klassische Bits (1 und 0) zwei klar unterscheidbare, physikalisch messbare Zustände einnehmen können, deren korrekte Beschreibung jedoch nur durch die Quantenmechanik möglich ist. Qubits sind die Grundbausteine der Informationsverarbeitung in Quantencomputern.

Die physikalischen Hintergründe
Zur Erzeugung ihrer Qubits aus freien Elektronen verwenden die Forscher den Elektronenstrahl eines Transmissionselektronenmikroskops als Elektronenquelle und kreuzen ihn mit dem elektrischen Feld eines klassischen Laserstrahls. In den Schwingungen der Lichtwelle werden die Strahlelektronen periodisch und in extrem schneller Folge beschleunigt und abgebremst. „Diese schnelle Wechselwirkung zwischen Elektronenstrahl und den optischen Zyklen des Laserlichts führt zu einer regelmäßigen Modulation der Energie der Elektronen in einzelne, genau definierte Energieniveaus“, erklärt Prof. Dr. Peter Baum, der Leiter des Forschungsteams, und fährt fort:

„Diese Quantisierung, die mit unseren Messmethoden detektiert werden kann, nutzen wir als Ressource für die Erzeugung von Qubits.“

Prof. Dr. Peter Baum

Für eine detailliertere Beschreibung der Modulation von Elektronen zu Qubits lesen Sie den untenstehenden Infokasten „Details zur Physik der Qubits“.

Attosekunden-Elektronenmikroskopie
Interessanterweise führt die Kreuzung von Elektronen- und Laserstrahl im Experiment nicht nur zu den geschilderten, für die Qubit-Erzeugung relevanten Phänomenen im Energiebereich. Bei der richtigen Wahl der Laserparameter ergeben sich zusätzlich nutzbare Phänomene im Zeitbereich: Der Elektronenstrahl wandelt sich durch den Laserbeschuss in eine Folge von extrem kurzen Elektronenpulsen mit Dauern im Attosekunden-Bereich um.

„Das entspricht dem milliardstel Teil einer millionstel Sekunde. In derartig kurzen Zeitspannen legt selbst Licht lediglich die Strecke des Durchmessers eines größeren Moleküls zurück“, verbildlicht Peter Baum die Größenordnung. Solch extrem kurze Elektronenpulse können bei der ultraschnellen Elektronenmikroskopie zur Aufklärung komplexer Licht-Materie-Wechselwirkungen zum Einsatz kommen und dort neben einer enormen räumlichen Auflösung auf atomarer Ebene zusätzlich eine maximale zeitliche Auflösung ermöglichen.

Qubits in „Serienproduktion“
Ein weiteres praktisches Merkmal der Qubits und der Attosekunden-Elektronenpulse im Experiment ist deren hohe Entstehungsrate: Es werden rund eine Milliarde Qubits beziehungsweise Attosekunden-Elektronenpulse pro Sekunde erzeugt. Diese hohe Rate wird durch die Verwendung einer kontinuierlichen, nicht gepulsten Elektronenquelle und eines kontinuierlichen, nicht gepulsten Laserstrahls erreicht. Auf diese Art und Weise wird nahezu jedes freie Elektron des Elektronenstrahls moduliert. Das einzige Limit für die Erzeugung von Qubits ergibt sich aus der Leistungsgrenze moderner hochenergetischer Elektronenquellen.

Lasergeformte freie Elektronen und Qubits sind jedoch nicht nur deshalb ein interessantes und praktisches Objekt für weitere Untersuchungen. „Im Vakuum des freien Raums geht ein Elektron als Elementarteilchen mit keinem Material Wechselwirkungen ein. Die sogenannte Dekohärenz – der Verlust von Information an die Umgebung – ist daher verhältnismäßig langsam", ergänzt Peter Baum. „Außerdem ist die laseroptische Steuerung von Elektronenstrahlen vielseitig und schnell zu schalten." Freie-Elektronen-Qubits unter Laserkontrolle könnten deshalb in Zukunft eine wichtige Rolle sowohl für die Grundlagenforschung als auch die Anwendung im Bereich der Quanteninformatik spielen.

Details zur Physik der Qubits

Bei genauer Betrachtung sind die im Experiment verwendeten freien Elektronen aus dem Elektronenstrahl keine Punktteilchen, sondern Wellenfunktionen mit einer endlichen Kohärenzlänge, die mehrere Lichtschwingungen des verwendeten Laserstrahls umfasst. In diesem Fall wird durch benachbarte optische Feldzyklen zu mehreren Zeitpunkten dieselbe Endenergie kohärent erzeugt. Als Konsequenz daraus erzeugen Materie-Wellen-Interferenzen eine periodische Modulation des Energiespektrums in diskrete Energieseitenbänder, welche die Forscher als Ressource für ein zweistufiges Quantensystem nutzen. Die Quantenoperationen werden dann durch einfache Ausbreitung im freien Raum durchgeführt, bei der die verschiedenen Seitenbänder aufgrund der Ruhemasse der Elektronen nichtlineare Materiewellen-Phasen annehmen, gefolgt von einer zweiten Laserinteraktion und Seitenbanderzeugung einige Zentimeter später im Strahl. Auf diese Weise kann nahezu jeder Punkt auf der Bloch-Kugel erreicht werden, also dem „Koordinatensystem“, in dem Qubit-Zustände als Punkte auf der Oberfläche einer Einheitskugel geometrisch repräsentiert werden.