Darum ist der neue "Quarton Coupler" für Quantencomputer so wichtig

Faktor zehn: Ein neuartiger Schaltkreis von MIT-Fachleuten könnte die Tür zu schnelleren und fehlertoleranten Quantencomputern öffnen - dank einer bisher unerreicht starken Kopplung zwischen Lichtteilchen und künstlichen Atomen.

Quarton Coupler: Turbo für Quantencomputer entdeckt

Quantencomputer versprechen immense Rechenleistung, aber nur, wenn sie sehr schnell arbeiten. Denn ihre empfindlichen Zustände sind anfällig für Fehler, die sich mit jeder Rechenoperation potenzieren. Um dies zu kontrollieren, müssen die Zustände rasch gelesen und korrigiert werden - ein Vorgang, der stark von der Kopplung zwischen Photonen und sogenannten künstlichen Atomen abhängt.

Mit "künstlichen Atomen" sind winzige elektronische Schaltkreise gemeint, die sich ähnlich verhalten wie echte Atome: Sie können nur bestimmte Energiezustände annehmen und zwischen diesen hin- und herwechseln. Genau dieses Verhalten macht sie geeignet als Qubits - also als kleinste Informationseinheiten in einem Quantencomputer.


In einem Experiment konnten MIT-Forschende nun die stärkste je gemessene nichtlineare Kopplung dieser Art erzielen. Mit ihrer neuen Schaltkreisarchitektur übertreffen sie frühere Werte um etwa den Faktor zehn. Das Resultat: Quantenoperationen und Messprozesse könnten künftig im Bereich weniger Nanosekunden stattfinden.

Zentrales Element ist ein neu entwickelter Baustein namens Quarton Coupler, den Doktorand Yufeng "Bright" Ye im Rahmen seiner Arbeiten erfand. Diese besondere Schaltung besteht aus Materialien, die bei sehr tiefen Temperaturen keinen elektrischen Widerstand haben. Wird der Strom erhöht, verstärkt sich die Wechselwirkung zwischen Lichtteilchen und Qubit auf eine Weise, bei der die Wirkung nicht einfach proportional zur Ursache wächst - es entstehen deutlich stärkere und komplexere Effekte, die gezielt für Quantenoperationen genutzt werden können.

Die nützlichen Wechselwirkungen in Quantencomputern beruhen oft auf nichtlinearer Kopplung zwischen Licht und Materie. Wenn man die Stärke und Vielfalt dieser Kopplungen erhöht, lässt sich die Rechengeschwindigkeit deutlich steigern

Für den Nachweis integrierte das Team den Quarton Coupler auf einem Chip mit zwei supraleitenden Qubits. Ein Qubit fungierte dabei als sogenannter Resonator - also als Messinstrument für Lichtfrequenzen - das andere speicherte die Quanteninformation. Diese wird über Mikrowellenphotonen ausgetauscht - Teilchen, die Informationen im Quantencomputer transportieren.

Wichtiges Element

Die neue Schaltung könnte in Zukunft ein zentrales Element schnellerer Quantenprozessoren werden. Zwar ist sie noch nicht reif für den Einsatz in kompletten Systemen, doch das Prinzip wurde durch das MIT erfolgreich demonstriert. Die vollständigen Ergebnisse erschienen in Nature Communications, auch das MIT widmet der spannenden Arbeit einen Beitrag.

"Das könnte einen der Engpässe in der Quantenverarbeitung beseitigen", sagt Ye. Schnelleres Messen bedeute, dass auch Fehlerkorrekturen häufiger und zuverlässiger ausgeführt werden können - ein Schlüssel zur angestrebten fehlertoleranten Quantenverarbeitung.


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