Auf dem Weg zum Quantencomputer

50 Jahre alte Vorhersage zur verlustfreien Datenverarbeitung bestätigt

Wissenschaftler der Universität Yale haben eine experimentelle Schaltung zur Speicherung von Quanteninformationen entwickelt, welche die Speicherdauer von supraleitenden Quantenschaltern um einige Größenordnungen verbessert. Gemeinsam mit dem Jülicher Physiker Dr. Gianluigi Catelani bestätigten die Wissenschaftler in diesem Zusammenhang erstmals eine 50 Jahre alte quantenphysikalische Vorhersage. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Nature vom 17. April 2014 nachzulesen.

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Josephson-Kontakts, dem Grundbaustein zum Speichern von Quanten-Bits in supraleitenden Schaltkreisen. (Bild:: I. Pop / Yale University)

Das Phänomen der Supraleitung wird nicht nur zum Bau ultrastarker Elektromagnete in Magnetresonanztomographen und Teilchenbeschleunigern genutzt. Supraleitende Schaltkreise haben auch eine enorme Bedeutung für die Entwicklung von Quantencomputern. Entsprechende Systeme könnten beim Lösen bestimmter Aufgaben eines Tages eine deutlich höhere Rechengeschwindigkeit erzielen als herkömmliche Digitalrechner.

Supraleitende Schaltkreise ermöglichen es, Quanten-Bits - kurz Qubits - darzustellen, mit denen Quantenrechner Informationen speichern und verarbeiten. Unter dem Einfluss benachbarter Qubits können diese ihren Wert verändern, indem sie etwa von "0" auf "1" springen oder beide Werte zugleich annehmen. Doch durch das Umschalten verlieren die Qubits Energie, wodurch die Quanteninformation verloren geht.

In dem Yale-Experiment konnten die Wissenschaftler zeigen, dass ein supraleitendes Qubit immun gegen Verluste ist, die durch sogenannte Quasiteilchen verursacht werden. Physiker bezeichnen damit kollektive Anregungen mehrerer Teilchen, die sich in einigen Eigenschaften wie Teilchen verhalten und dem Qubit Energie entziehen können.

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Die experimentellen Fortschritte in Yale sind daher ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum Quantenrechner. Und nicht nur das. Mit ihnen bestätigten die Wissenschaftler erstmals eine theoretische Vorhersage des britischen Physikers und Nobelpreisträgers Brian Josephson. In den 1960er Jahren hatte er vorausgesagt, dass sich der Energieverlust an einem sogenannten Josephson-Kontakt - dem elementaren Bauelement der supraleitenden elektrischen Schaltkreise - unter bestimmten Voraussetzungen vermeiden lässt.

Dr. Gianluigi Catelani vom Jülicher Peter Grünberg Institut (PGI-2) hat mit seinen Berechnungen gezeigt, dass dieser verlustfreie Spezialfall auf einen quantenmechanischen Interferenzeffekt zurückzuführen ist, der sich auch für das Speichern und die Verarbeitung von Qubits nutzen lässt. Dabei löschen sich die an der Kontaktstelle entstehenden Quasiteilchen gegenseitig aus, so dass keine Energie verloren geht.

Originalpublikation:
Coherent suppression of electromagnetic dissipation due to superconducting quasiparticles, Ioan M. Pop, Kurtis Geerlings, Gianluigi Catelani, Robert J. Schoelkopf, Leonid I. Glazman, & Michel H. Devoret, Nature, published on 17 April 2014, doi 10.1038/nature13017.

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