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Quantencomputer - Speicherdauer von Qubits weiter verbessert

QuantenmechanikAuf der Suche nach Abweichungen von der Standardtheorie

Physiker testen mit einem Interferometer, ob die Standard-Quantenmechanik korrekt oder eine komplexere Theorie notwendig ist.

Auf der Suche nach Abweichungen von der Standardtheorie der Quantenmechanik testeten Physiker, ob die Quantenmechanik ein noch raffinierteres mathematisches Regelwerk benötigt. 

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QuantencomputerSpeicherdauer von Qubits weiter verbessert

Einem internationalen Team von Wissenschaftlern ist es gelungen, die Speicherdauer von supraleitenden Quantenschaltern weiter zu verbessern. Dass die darin aufbewahrten Daten möglichst lange erhalten bleiben, ist eine wichtige Voraussetzung für die Realisierung leistungsfähiger Quantencomputer.

Die Abbildung illustriert das Herausfiltern unerwünschter Quasipartikel (rote Kugeln) aus einem Strom supraleitender Elektronenpaare (blaue Kugeln) mit Hilfe einer Pumpe mit Mikrowellen-Antrieb künstlerisch. (Quelle: Philip Krantz, Krantz NanoArt)

Die Forscher, darunter der Jülicher Physiker Dr. Gianluigi Catelani, entwickelten und testeten dazu eine Technik, die ungepaarte Elektronen aus den Schaltkreisen entfernt. Diese verringern die Speicherdauer (Science, DOI: 10.1126/science.aah5844).

Quantencomputer könnten beim Lösen bestimmter Aufgaben eines Tages eine deutlich höhere Rechengeschwindigkeit erzielen als herkömmliche Digitalrechner. Supraleitende Schaltkreise gehören zu den vielversprechendsten Kandidaten für die Darstellung von Quanten-Bits - kurz Qubits, mit denen Quantenrechner Informationen speichern und verarbeiten.

Die hohe Fehleranfälligkeit der bisher verfügbaren Qubits begrenzt bisher noch die Größe und Leistungsfähigkeit der Quantencomputer. Dr. Gianluigi Catelani vom Jülicher Peter Grünberg Institut (PGI-2) und seine Kollegen haben nun einen Weg gefunden, den Zeitraum, über den supraleitende Schaltkreise eine "0" oder "1" speichern können, zu vervielfachen. Die weiteren Mitglieder des Teams arbeiten in den USA (Massachusetts Institute of Technology, Lincoln Laboratory, und University of California, Berkeley), Japan (RIKEN), und Schweden (Technische Hochschule Chalmers).

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Wenn man supraleitende Materialien unter eine materialspezifische Temperatur abkühlt, bilden jeweils zwei Elektronen Paare; Strom fließt dabei ohne Widerstand. Jedoch ist es bisher nicht möglich, supraleitende Schaltkreise zu bauen, in denen sich alle Elektronen zu Paaren zusammenfinden. Einzelne Elektronen bleiben ungepaart und können sich nicht widerstandslos bewegen. Durch diese so genannten Quasipartikel geht Energie verloren und dies begrenzt die Dauer, mit der die Schaltkreise Daten speichern können.

Die Forscher haben nun eine Technik entwickelt und getestet, die die ungepaarten Elektronen vorübergehend aus dem Schaltkreis entfernen kann: Mit Hilfe von Mikrowellen-Pulsen werden sie tatsächlich „abgepumpt“. Die Lebensdauer der Qubits verdreifacht sich dadurch.

„Die Technik kann grundsätzlich sofort für alle supraleitenden Qubits genutzt werden“, erläutert Catelani, der als theoretischer Physiker zur Analyse und Interpretation der experimentellen Daten beigetragen hat. Der Forscher unterstreicht, dass die Lebensdauer der Qubits jedoch nur eine von vielen Hürden bei der Entwicklung komplexer Quantencomputer ist.

Auch werden die Quasipartikel durch die neue Technik nicht dauerhaft entfernt, sondern fließen immer wieder zurück. Dafür haben die Forscher aber bereits eine Lösung parat: Das Abpumpen könnte mit einer Methode kombiniert werden, die die Quasipartikel dauerhaft einfängt. Eine solche „Falle“ für Quasipartikel hatte Catelani gemeinsam mit Kollegen aus Jülich und Yale bereits analysiert und getestet und die Ergebnisse im September in der Fachzeitschrift Physical Review B vorgestellt (DOI: 10.1103/PhysRevB.94.104516).

Originalveröffentlichung:

Suppressing relaxation in superconducting qubits by quasiparticle pumping; Simon Gustavsson et al.; Science (published online 8. Dec. 2016), DOI: 10.1126/science.aah5844.

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