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Qubits für robuste Quantencomputer: Geringe Fehlerrate dank Mikrowellen

Mit Mikrowellen gesteuerte Qubits zeigen eine sehr geringe Fehlerrate. Forscher in Hannover und Braunschweig entwickeln den Ionen-Mikrowellen-Quantencomputer.

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Der Chip steckt unterhalb des Kupfer-Achtecks dieser Apparatur: Im Vakuum kurz über seiner Oberfläche hält er Ionen als Qubits fest und manipuliert sie mittels Mikrowellen.

(Bild: Dubielzig / Hahn)

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Quantenbits, auch Qubits genannt, und die Rechenoperationen auf ihnen sind wichtige Grundlagen für die Entwicklung eines Quantencomputers. Forscher der Leibniz-Universität Hannover und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig realisieren Qubits mit in Ionenfallen gespeicherten einzelnen Atomen und manipulieren diese mit Mikrowellen. Dabei konnten sie gerade durch geschickte Steuerung der Mikrowellenleistung eine besonders niedrige Fehlerrate erzielen – ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einem fehlertoleranten Quantencomputer.

Beim Verfahren der Niedersachsen werden die Qubit-Ionen mithilfe elektrischer Felder in einem Vakuum knapp über einem Chip festgehalten. Leiterschleifen auf der Chip-Oberfläche ermöglichen es, die Qubits mit Mikrowellensignalen zu manipulieren und auf ihnen Rechenoperationen durchzuführen. Für diese Aufgabe verwenden andere Verfahren extrem genau kontrollierte Laserstrahlen. "Wir denken, dass unsere Technik mit steigender Qubit-Zahl wesentlich leichter skaliert werden kann als der Einsatz hochgenauer Laser", erläutert Professor Christian Ospelkaus vom Institut für Quantenoptik in Hannover und der PTB in Braunschweig. Zudem komme diesem Ansatz zugute, dass die Mikrowellentechnik bereits weit verbreitet und sehr gut erforscht ist.

An ihrem Modell eines Ionen-Mikrowellen-Quantencomputers konnten die Forscher nun die Fehlerrate bei Rechenoperationen drastisch senken. Mit speziell geformten Mikrowellenpulsen, bei denen sich das Mikrowellenfeld langsam auf- und wieder abbaut, erhielten sie etwa einhundertmal niedrigere Fehlerraten als durch einfaches Ein- und Ausschalten. "Damit erreichen wir heute eine Fehlerrate von etwa 1 zu 1000", berichtet Ospelkaus. Ziel der Wissenschaftler ist es nun, deutlich weniger als einen Fehler alle zehntausend Operationen zu erreichen. Erst damit werde es sinnvoll sein, ihren Quantencomputer-Ansatz auf viele Qubits zu erweitern. Ospelkaus zeigt sich zuversichtlich, dass sein Team derart geringe Fehlerraten in den kommenden ein bis zwei Jahren erzielen kann.

Die Wissenschaftler haben bereits ein patentiertes Herstellungsverfahren entwickelt, das es ermöglicht, viele Qubits in einer Chipstruktur zu speichern und mit der Mikrowellentechnik zu manipulieren.

Ein Qubit zeichnet sich dadurch aus, dass es nicht nur einen von zwei Zuständen annehmen kann, sondern auch beliebige Überlagerungen beider Zustände. Damit lassen sich diese Zustände auch gleichzeitig verarbeiten. Durch diesen Parallelismus kann der Quantencomputer bestimmte Algorithmen bearbeiten, die ein klassischer Computer nicht in vernünftiger Zeit bearbeiten kann. Erst im September gelang es einem Google-Quantencomputer mit 53 Qubits, in wenigen Augenblicken spezielle Berechnungen durchzuführen, für die heutige Superrechner viele Wochen wenn nicht sogar tausende Jahre benötigen würden. (agr)