Faktor zehn: Ein neuartiger Schaltkreis von MIT-Fachleuten knnte die Tr zu schnelleren und fehlertoleranten Quantencomputern ffnen – dank einer bisher unerreicht starken Kopplung zwischen Lichtteilchen und knstlichen Atomen.
Quarton Coupler: Turbo fr Quantencomputer entdeckt
Quantencomputer versprechen immense Rechenleistung, aber nur, wenn sie sehr schnell arbeiten. Denn ihre empfindlichen Zustnde sind anfllig fr Fehler, die sich mit jeder Rechenoperation potenzieren. Um dies zu kontrollieren, mssen die Zustnde rasch gelesen und korrigiert werden – ein Vorgang, der stark von der Kopplung zwischen Photonen und sogenannten knstlichen Atomen abhngt.
Mit «knstlichen Atomen» sind winzige elektronische Schaltkreise gemeint, die sich hnlich verhalten wie echte Atome: Sie knnen nur bestimmte Energiezustnde annehmen und zwischen diesen hin- und herwechseln. Genau dieses Verhalten macht sie geeignet als Qubits – also als kleinste Informationseinheiten in einem Quantencomputer.
In einem Experiment konnten MIT-Forschende nun die strkste je gemessene nichtlineare Kopplung dieser Art erzielen. Mit ihrer neuen Schaltkreisarchitektur bertreffen sie frhere Werte um etwa den Faktor zehn. Das Resultat: Quantenoperationen und Messprozesse knnten knftig im Bereich weniger Nanosekunden stattfinden.
Zentrales Element ist ein neu entwickelter Baustein namens Quarton Coupler, den Doktorand Yufeng «Bright» Ye im Rahmen seiner Arbeiten erfand. Diese besondere Schaltung besteht aus Materialien, die bei sehr tiefen Temperaturen keinen elektrischen Widerstand haben. Wird der Strom erhht, verstrkt sich die Wechselwirkung zwischen Lichtteilchen und Qubit auf eine Weise, bei der die Wirkung nicht einfach proportional zur Ursache wchst – es entstehen deutlich strkere und komplexere Effekte, die gezielt fr Quantenoperationen genutzt werden knnen.
Die ntzlichen Wechselwirkungen in Quantencomputern beruhen oft auf nichtlinearer Kopplung zwischen Licht und Materie. Wenn man die Strke und Vielfalt dieser Kopplungen erhht, lsst sich die Rechengeschwindigkeit deutlich steigern
Fr den Nachweis integrierte das Team den Quarton Coupler auf einem Chip mit zwei supraleitenden Qubits. Ein Qubit fungierte dabei als sogenannter Resonator – also als Messinstrument fr Lichtfrequenzen – das andere speicherte die Quanteninformation. Diese wird ber Mikrowellenphotonen ausgetauscht – Teilchen, die Informationen im Quantencomputer transportieren.
Wichtiges Element
Die neue Schaltung knnte in Zukunft ein zentrales Element schnellerer Quantenprozessoren werden. Zwar ist sie noch nicht reif fr den Einsatz in kompletten Systemen, doch das Prinzip wurde durch das MIT erfolgreich demonstriert. Die vollstndigen Ergebnisse erschienen in Nature Communications, auch das MIT widmet der spannenden Arbeit einen Beitrag.
«Das knnte einen der Engpsse in der Quantenverarbeitung beseitigen», sagt Ye. Schnelleres Messen bedeute, dass auch Fehlerkorrekturen hufiger und zuverlssiger ausgefhrt werden knnen – ein Schlssel zur angestrebten fehlertoleranten Quantenverarbeitung.
Was ist ein Quantencomputer?
Diese Qubits knnen dank Quantenverschrnkung und Superposition mehrere Zustnde gleichzeitig annehmen. Dadurch knnen Quantencomputer bestimmte komplexe Probleme um ein Vielfaches schneller lsen als klassische Rechner.
Wozu braucht man Quantencomputer?
Ein weiteres wichtiges Einsatzgebiet ist die Kryptographie. Quantencomputer knnten bestehende Verschlsselungsmethoden knacken, aber auch neue, abhrsichere Kommunikationswege ermglichen.
Wie funktioniert ein Qubit?
Durch Quantenverschrnkung knnen mehrere Qubits miteinander verbunden werden, wodurch die Rechenleistung exponentiell steigt. Allerdings sind Qubits sehr empfindlich gegenber Strungen und mssen auf fast den absoluten Nullpunkt gekhlt werden.
Ersetzt der Quantencomputer den PC?
Wahrscheinlich werden Quantencomputer zuknftig als Co-Prozessoren oder Cloud-Services genutzt, auf die klassische Computer bei Bedarf zugreifen knnen.
Wie teuer ist ein Quantencomputer?
Zustzlich fallen hohe Betriebskosten an, da die Systeme permanent auf unter -270C gekhlt werden mssen. Experten erwarten, dass die Kosten in den nchsten Jahren deutlich sinken werden.
Sind Quantencomputer gefhrlich?
Deshalb wird bereits an quantensicheren Verschlsselungsmethoden gearbeitet. Diese sollen auch gegen Angriffe durch Quantencomputer sicher sein und rechtzeitig implementiert werden.
Wer entwickelt Quantencomputer?
Daneben forschen zahlreiche wissenschaftliche Institute und Universitten weltweit an Quantencomputern. Deutschland ist durch Forschungseinrichtungen wie das Forschungszentrum Jlich ebenfalls stark vertreten.
- MIT-Forscher entwickeln neuartigen Schaltkreis fr Quantencomputer
- ‹Quarton Coupler› ermglicht strkste je gemessene nichtlineare Kopplung
- Kopplung zwischen Photonen und knstlichen Atomen zehnfach verbessert
- Quantenoperationen knnten knftig in wenigen Nanosekunden ablaufen
- Neuartiger Baustein nutzt Materialien ohne elektrischen Widerstand
- Strkere Wechselwirkung zwischen Licht und Qubit bei Stromerhhung
- Schnelleres Messen ermglicht hufigere und zuverlssigere Fehlerkorrekturen
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