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Konzepte für den Quanten-Computer

Mit Quantenzuständen rechnen – eine faszinierende Idee, die noch einen weiten Weg bis zur Praxis vor sich hat. Einen Schritt dorthin leistet ein jetzt in der PTB entwickeltes Konzept, welches auf einem neuartigen Bauelement basiert. Die logische Grundeinheit, das Quanten-Bit (Qubit), ist dabei auf einem supraleitenden Ring lokalisiert. Das Besondere: Das Qubit ist störunanfällig und sein Zustand lässt sich leicht auslesen.

Berechnete Energieeigenwerte des supraleitenden Qubits (schematisch im kleinen Bild) in Abhängigkeit von der Inselladung q und dem magnetischen Fluss Φ durch den Ring. Ec ist die Ladungsenergie der Insel. Ein schneller Transfer des Systems vom „Eckzustand“ (Ladung und Fluss gleich 0) in die Mitte der Energieflächen hinein führt zu ausgeprägten Oszillationen in der Entwicklung der Zustände – in dieser dynamischen Situation wird das Qubit aktiv.

Quantencomputer wollen ausnutzen, dass in der Quantenwelt die klassische Logik ausgeschaltet ist: Während ein klassisches Bit entweder den Wert Null oder Eins besitzt, befindet sich ein Qubit in einer kohärenten Überlagerung beider Zustände. Rechenschritte, die im klasssischen Fall sequentiell erfolgen müssen, könnte ein Quantencomputer, dank der Qubits, in einer einzigen Operation ausführen. Spezielle Aufgaben, wie das Faktorisieren großer Zahlen in Primzahlen, wären überhaupt erst auf diese Weise lösbar. Seit einigen Jahren sind auch supraleitende Schaltungen für derartige Qubits im Gespräch. In ihnen können quantenmechanische Effekte (durch die Bose-Einstein-Kondensation der Ladungsträger, d. h. der Cooper-Paare) auf einer makroskopischen Skala auftreten. Das Verhalten des makroskopischen Systems wird dabei von einer Schrödinger-Wellenfunktion bestimmt, die nur von wenigen kollektiven Variablen abhängt.

Das neu konzipierte Bauelement fußt auf Erfahrungen und Erkenntnissen, die in der PTB bei der Entwicklung von Quantennormalen für die elektrischen Einheiten gewonnen wurden. Es besteht aus einem supraleitenden Ring mit zwei eng benachbarten Josephson-Tunnelbarrieren von weniger als 0,01 µm2 Fläche. Der Ring ist der Träger des Qubits. Selbst bei einem Durchmesser des Rings von ca. 1 mm sind seine Zustände quantisiert und hängen nur von der auf der Insel induzierten Ladung q und dem magnetischen Fluss Φ durch den Ring ab. Auf der Basis der zwei Zustände niedrigster Energie können die Zustände „Null“, „Eins“ und kohärente Mischzustände, die eigentlichen Qubits, daraus gebildet werden. Gesteuert wird das Qubit über die beiden elektrischen Parameter Ladung q und Fluss Φ.

Die besonderen Eigenschaften dieses Qubits sind seine geringe Anfälligkeit gegenüber elektrischen Störeinflüssen sowie die Möglichkeit, den Zustand fast ohne Verlust der Kohärenz auszulesen. Zum Auslesen kann zum Beispiel die Änderung der Resonanzfrequenz eines induktiv angekoppelten Schwingkreises bestimmt werden. Konzeptionell ist das Qubit damit eingefangen. Die experimentelle Umsetzung ist der nächste Schritt.

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