Rekord für atombasierte Quantencomputer

Quantenprozessoren auf der Basis von zweidimensionalen Registern aus optischen Pinzetten, wie sie durch fokussierte Laserstrahlen erzeugt werden, stellen eine der aussichtsreichsten Technologien dar, mit denen sich Quantenberechnungen und -simulationen in Richtung von nutzbringenden Anwendungen entwickeln lassen. Vielfältige Einsatzmöglichkeiten, von der Medikamentenentwicklung bis zur Optimierung von Verkehrsströmen, werden davon profitieren.

Bislang konnten diese Prozessoren einige Hundert Einzel-Atom-Quantensysteme aufnehmen, wobei jedes Atom ein Quantenbit darstellt. Um weitere Fortschritte zu erzielen, ist es erforderlich, die Anzahl der Qubits im Prozessor weiter zu erhöhen. Einem Team um Gerhard Birkl von der Arbeitsgruppe „Atome – Photonen – Quanten“ vom Fachbereich Physik der TU Darmstadt ist dies nun gelungen. Nun berichtet das Team von der weltweit ersten experimentellen Realisierung einer Quantenprozessorarchitektur, die mehr als 1000 atomare Qubits in einer einzigen Ebene enthält.

„Wir sind hocherfreut, dass wir die Marke von 1000 einzeln kontrollierbaren atomaren Qubits als erste erreicht haben, während so viele exzellente Konkurrenten uns dicht auf den Fersen sind", ordnet Birkl die Ergebnisse ein.

Die Forscher konnten experimentell zeigen, dass der Ansatz, modernste quantenoptische Methoden und fortschrittliche mikrooptische Technologie zu kombinieren, es ermöglicht, die Grenze der zugänglichen Qubit-Zahlen deutlich zu erhöhen.

Dies gelang durch die Einführung der neuartigen Methode der „Quantenbit-Turboaufladung“. Dabei wird die Begrenzung der Anzahl der einsetzbaren Qubits aufgrund der limitierten Laserleistung aufgehoben. In einem Quantenregister mit 3000 Speicherplätzen werden 1305 Einzel-Atom-Qubits gespeichert und zu defektfreien Zielstrukturen von bis zu 441 Qubits umarrangiert. Durch den parallelen Einsatz mehrerer Laserquellen sprengt dieses Konzept bisher als schwer überwindbar angenommene technologische Grenzen.

Für viele Anwendungsszenarien wird die Zahl von 1000 Qubits als ein Schwellenwert angesehen, ab dem der angestrebte Effizienzvorteil von Quantencomputern erstmals demonstriert werden kann. Entsprechend intensiv wurde weltweit daran gearbeitet, diesen Schwellenwert erstmalig zu erreichen. Mit der nun publizierten Forschungsarbeit ist dies für atomare Quantensysteme der Arbeitsgruppe um Birkl weltweit zum ersten Mal gelungen. Wie in der Publikation ebenfalls dargelegt, wird eine weitere Erhöhung der Zahl der Laserquellen bereits in wenigen Jahren den Zugang zu Qubit-Zahlen von 10.000 und mehr ermöglichen.

TU Darmstadt / DE