Forschung

Gestörte Qubits

14.06.2021 - Isolatoren als Fehlerquelle von Quantencomputern erstmals quantifiziert.

Schwachleitende oder nichtleitende Materialien haben Innsbrucker Physiker um Tracy Northup als wichtige Quelle für Störungen in Ionen­fallen-Quanten­computern identifiziert. Sie haben eine neue Methode entwickelt, mit der diese Fehlerquelle erstmals quanti­fiziert werden kann. Um Quanten­computer mit sehr vielen Quantenbits betreiben zu können, müssen solche Störquellen schon in der Entwicklung möglichst vermieden werden.

Der Bau eines Quanten­computers für kommerzielle Anwendungen rückt in greifbare Nähe. Eine der Technologien, die derzeit sehr erfolgreich vorantrieben wird, sind Ionenfallen-Quantencomputer. Hier werden geladene Teilchen mit elektro­magnetischen Feldern in einer Vakuumkammer gefangen und so präpariert, dass sie als Träger für Information dienen und mit ihnen gerechnet werden kann. Die quanten­mechanischen Eigenschaften, die man sich dabei zunutze macht, sind allerdings sehr störungsanfällig. Schon kleinste Unzuläng­lichkeiten können die stark gekühlten Teilchen aufheizen und so zu Fehlern bei der Verarbeitung der Quanten­information führen. Eine mögliche Quelle für solche Störungen sind schwach- oder nicht­leitende Materialien, die zum Beispiel als Isolatoren in den metallischen Ionenfallen zum Einsatz kommen, oder etwa Optiken, die für die Kopplung mit Laserlicht notwendig sind.

„Selbst bei Ionenfallen, die ausschließlich aus Metall bestehen, würden Oxid­schichten auf den Metallen solche Störungen verursachen“, erläutert Tracy Northup vom Institut für Experimental­physik der Universität Innsbruck. Northups Team hat zusammen mit Kooperations­partnern in Innsbruck und in den USA einen Weg gefunden, wie der Einfluss dielektrischer Materialien auf die geladenen Teilchen in Ionenfallen bestimmt werden kann. Gelungen ist dies, weil die Forscher über eine Ionenfalle verfügen, in der sie den Abstand zwischen den Ionen und dielek­trischen Optiken genau einstellen können. Basierend auf einem früheren Vorschlag der Arbeitsgruppe um Rainer Blatt haben die Physiker den Umfang des durch das dielek­trische Material verursachten Rauschens für diese Ionenfalle rechnerisch ermittelt und mit Daten aus dem Experiment verglichen.

„Theorie und Experiment stimmen sehr gut überein und bestätigen, dass diese Methode gut dafür geeignet ist, den Einfluss von dielektrischen Materialien auf die Ionen zu bestimmen“, erklärt Markus Teller aus dem Innsbrucker Team. Bei der Berechnung des Rauschens kam das Fluk­tuations-Dissi­pations-Theorem aus der Statistischen Physik zur Anwendung, das die Reaktion eines Systems im thermischen Gleichgewicht auf eine kleine äußere Störung mathematisch beschreibt. „In Quanten­computern gibt es viele mögliche Quellen für Störungen, und es ist sehr schwierig die genauen Ursachen auseinander zu halten“, sagt Tracy Northup. „Mit unserer Methode gelingt es erstmals, den Einfluss dielek­trischer Materialien auf die in Ionenfallen gefangenen Teilchen zu quanti­fizieren. Die Entwickler von Ionenfallen-Quanten­computern werden in Zukunft diesen Einfluss viel besser einschätzen können und ihre Geräte so konstruieren, dass diese Störungen minimiert werden.“ Nachdem die Innsbrucker Physiker die Methode an ihrer eigenen Ionenfallen erprobt haben, wollen sie nun deren Einsatz an Ionenfallen befreun­deter Forschungs­gruppen in den USA und der Schweiz erproben. 

U. Innsbruck / JOL

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