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

Share |

Newsletter

Haben Sie Interesse am kostenlosen wöchentlichen oder monatlichen pro-physik.de-Newsletter? Zum Abonnement geht es hier.

COMSOL NEWS 2018

COMSOL Days

Lesen Sie, wie Ingenieure in einer Vielzahl von Branchen präzise digitale Prototypen erstellen, um die Grenzen der Technologie zu überschreiten und den Bedarf an physischen Prototypen zu reduzieren, sowie Simulationsanwendungen zu erstellen, mit denen Kollegen und Kunden weltweit neue Ideen testen können.

comsol.de/c/7bzn

Site Login

Bitte einloggen

Andere Optionen Login

Website Footer