Steuerelement für Quantencomputer

  • 13. February 2018

Mikrowellen-Durchlässigkeit von neuartigem Quanten-Metamaterial lässt sich einfach schalten.

Quantencomputer können eine große Zahl an Rechen­operationen gleichzeitig ausführen. Damit versprechen sie komplexe Probleme viel schneller zu lösen als heutige Computer. Hoch­schulen und Unternehmen wie Google oder IBM forschen an den physikalischen Grundlagen zur Realisierung eines solchen Computers. Wissenschaftler aus Jena, Karlsruhe und Moskau sind der Zukunfts­vision der Quanten­informatik nun ein Stück näher­gekommen. Ihnen ist es gelungen, das weltweit erste Quanten-Metamaterial zu realisieren, dessen Licht­durchlässigkeit bei Temperaturen von -273 Grad Celsius genau steuerbar ist. Das Material könnte als Kontroll­element in Schaltungen bei der Quanten­signal­verarbeitung zur Anwendung kommen.

Abb.: Elektronenmikroskopische Aufnahme des Quanten-<wbr>Metamaterials aus 15 Zwillings-<wbr>Qubits, eingebettet in einen koplanaren Wellenleiter (unten). Ein Qubit mit 5 Josephson-<wbr>Kontakten (oben; Bild: NUST MISIS)

Abb.: Elektronenmikroskopische Aufnahme des Quanten-Metamaterials aus 15 Zwillings-Qubits, eingebettet in einen koplanaren Wellenleiter (unten). Ein Qubit mit 5 Josephson-Kontakten (oben; Bild: NUST MISIS)

Das Team aus Forschern vom Jenaer Leibniz-Institut für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT), dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der National University of Science and Technology (NUST MISIS) in Moskau stellte erstmals ein Quanten-Meta­material her, das auf besondere Weise mit elektro­magnetischer Strahlung im Mikro­wellen­bereich wechselwirkt.

Das Meta­material besteht aus einer linearen Anordnung von 15 Meta-Atomen, den Quanten­bits (Qubits): Schleifen von wenigen Mikro­metern Durchmesser aus Aluminium, die bei ihrer Arbeits­temperatur von etwa -273 Grad Celsius elektrischen Strom supra­leitend und damit verlust­frei transportieren. An einigen Stellen sind die Aluminium­ringe durch wenige Nanometer dünne Tunnel­strukturen, die Josephson-Kontakte, unterbrochen. So entstehen supra­leitende Schwing­kreise, in denen Strom nur in zwei definierten Zuständen fließt.

Die Forscher konstruierten nun erstmals ein Meta­material aus sogenannten Zwillings-Qubits, die aus zwei miteinander verbundenen Schleifen bestehen und damit statt drei insgesamt fünf Josephson-Kontakte besitzen. Entstanden sind die Strukturen im Reinraum des Leibniz-IPHT.

„Wir haben untersucht, wie sich die Zwillings-Qubits verhalten, wenn wir sie mittels eines Magnetfeldes in zwei verschiedene Zustände bringen. Dabei zeigt das Meta­material eine für uns unerwartete Eigenschaft. Über das Magnetfeld können wir seine Durchlässigkeit für Strahlung im Mikrowellenspektrum genau steuern. Dass man die Transparenz dieser speziellen Quanten-Meta­materialien über die Konfiguration des Grund­zustands der Qubits ein- bzw. ausschalten kann, hat uns überrascht. Das war bislang völlig unbekannt,“ beschreibt der IPHT-Wissenschaftler Evgeni Il’ichev die Forschungs­ergebnisse, die unter Leitung von Alexey Ustinov (NUST MISIS) entstanden.

Im Unterschied zu den Bits eines klassischen Rechners nehmen die Qubits nicht nur die Zustände 0 und 1 an. Sie gehorchen den Gesetzen der Quanten­mechanik und befinden sich in einem überlagerten Zustand, der gleichzeitig 0 und 1 ist. Im Fall supraleitender Qubit-Schaltkreise fließt der magnetfeld­induzierte Strom zugleich links (0) und rechts herum (1). Allerdings existieren die Überlagerungs­zustände nur so lange bis sie gemessen werden – in diesem Moment nimmt das System entweder den Wert 0 oder 1 an. Durch die Überlagerungs­zustände können Quanten­computer eine große Zahl an Rechen­operationen parallel verarbeiten, während heutige Rechner diese nacheinander ausführen. Die Anzahl der Operationen steigt exponentiell mit der Anzahl der eingesetzten Qubits. Die Firma IBM bietet Online-Zugriff auf einen Supraleiter-basierten Quanten­computer mit zwanzig Qubits.

IPHT / DE

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