Quantencomputing So rechnen Quantencomputer in Zukunft zuverlässiger

Quantencomputer rechnen mit Qubits besonders schnell, weil diese nicht nur die Zustände 0 oder 1 haben können, sondern auch Zwischenwerte. Doch die waren bisher labil. Das könnte sich jetzt ändern ...

Quantencomputer gelten als die Rechner der Zukunft. Denn Quantencomputer können nämlich große Datenmengen schneller verarbeiten als übliche Computer, weil sie viele Rechenschritte parallel durchführen. Sogenannte Quantenbits (Qubits), die kleinste Recheneinheit von Quantencomputern, können dabei auch Zustände zwischen 0 und 1 annehmen, weshalb Qubits mehr Informationen in kürzerer Zeit beinhalten können. Doch einen dieser Zustände länger aufrechtzuerhalten, sei ein schwieriges Unterfangen. Insbesondere hänge der Erfolg auch von den Materialeigenschaften ab und von äußeren Einflüssen, die es abzuschirmen gilt. Es kommt außerdem darauf an, dass die Qubits klein genug sind und sich schnell schalten lassen, um mit ihnen flott rechnen zu können, wie man erfährt. Nun sei man einen großen Schritt vorangekommen.

Supraleitende Schaltungen bringen Quantencomputer auf Trab

Ein Forschungsteam des KIT erzeugte jetzt aber Qubits, die 100-mal sensibler auf Materialdefekte reagieren, wie es weiter heißt. Das sei ein entscheidender Schritt, um die oben erwähnten Probleme aus der Welt des Quantencomputing zu schaffen. Die Ergebnisse veröffentlichte das Team übrigens bereits in der Zeitschrift Nature Materials. Nicht zuletzt ist ihre Idee über ein europäisches Patent abgesichert. Als vielversprechende Option werden sogenannte supraleitende Schaltungen ins Visier der Forscher genommen. Wir erinnern uns: Supraleiter sind Materialien, die bei extrem niedrigen Temperaturen keinen elektrischen Widerstand aufweisen und deshalb elektrischen Strom verlustfrei leiten können. Das ist entscheidend, um den Quantenzustand der Qubits zu erhalten und sie effizient miteinander zu verbinden. Den KIT-Forschern ist es demnach gelungen, neuartige und unkonventionelle supraleitende Qubits zu entwickeln.

Nano-Aluminiumkörnchen schaffen Materialdefekt-Lupe

Das Herzstück eines supraleitenden Qubits, heißt es weiter, ist ein sogenannter Josephson-Kontakt, der die Quanteninformation zu speichern vermag. Genau an dieser Kontakt konnte verbessert werden, lässt Dr. Ioan M. Pop vom Institut für Quantenmaterialien und Technologien des KIT (IQMT) wissen. Denn eigentlich werden Josephson-Kontakte für supraleitende Quantenbits erzeugt, indem zwei Aluminiumschichten durch eine dünne Oxidbarriere getrennt werden. Aber im Gegensatz dazu verwenden die KIT-Spezialisten für ihre Qubits nur eine einzelne Schicht aus granularem Aluminium. Das ist ein Supraleiter aus wenige Nanometer messenden Aluminiumkörnchen, die in einer Oxidmatrix eingebettet sind. Dadurch bildet das Material von sich aus ein dreidimensionales Netzwerk aus Josephson-Kontakten, betonen die Forscher. Spannenderweise, ergänzt Kollege Simon Günzler, werden die gesamten Eigenschaften der KIT-Qubits durch eine winzige Engstelle von nur 20 Nanometern Größe dominiert. Dadurch komme eine Art Lupeneffekt für mikroskopische Materialdefekte in supraleitenden Qubits zustande, dem man viel Verbesserungspotenzial beim Rechnen mit Quantencomputern zuspricht. Die Forscher nennen diese Qubits nun Gralmonium-Qubits.

Novum: Qubits komplett aus granularem Aluminium

Die vom KIT-Team entwickelten Qubits gelten nun als eine fundamentale Weiterentwicklung eines bereits zuvor erprobten Ansatzes, der auf sogenannten Fluxonium-Qubits basiert. Bei dieser Vorgängerversion wurden Teile aus granularem Aluminium und andere Teile konventionell aus Aluminium hergestellt. Bei der aktuellen Arbeit gingen die Forscher nun aber noch den entscheidenden Schritt weiter, denn sie stellten die kompletten Qubits aus granularem Aluminium her. Das, so beschreiben die Experten, ist, als würde man einen Quantenschaltkreis einfach aus einem Metallfilm herausschneiden. Dadurch sollen sich ganz neue Möglichkeiten für die industrielle Herstellung von Quantenschaltkreisen mithilfe von Ätzverfahren ergeben und erweiterte Einsatzbereiche für die Qubits an sich, wie zum Beispiel Anwendungen unter Einfluss starker Magnetfelder.

(ID:48983019)