Granulares Aluminium für Computer der Zukunft

Quantencomputer gelten als Rechner der Zukunft. Sie können große Datenmengen unter bestimmten Voraussetzungen schneller verarbeiten als ihre klassischen Pendants. Während klassische Computer einen Rechenschritt nach dem anderen ausführen, nehmen Quantencomputer viele Rechenschritte parallel vor. Informationsträger des Quantencomputers ist das Quantenbit, kurz Qubit. Bei Qubits gibt es nicht nur die Informationen „0“ und „1“, sondern auch Werte dazwischen, die über das quantenmechanische Superpositionsprinzip, also die Überlagerung von Zuständen, realisiert werden. Ihre Verarbeitung geschieht nach quantenmechanischen Prinzipien wie beispielsweise der Verschränkung, die selbst für räumlich weit voneinander getrennte Teilchen eine Wechselbeziehung ohne zeitliche Verzögerung ermöglicht.

„Die Herstellung von Qubits, die klein genug sind und sich schnell genug schalten lassen, um Quantenkalkulationen auszuführen, stellt eine enorme Herausforderung dar“, erklärt Ioan Pop vom Karlsruher Institut für Technologie. Als vielversprechende Option gelten supraleitende Schaltungen. Supraleiter sind Materialien, die bei extrem niedrigen Temperaturen keinen elektrischen Widerstand aufweisen und daher elektrischen Strom verlustfrei leiten. Das ist entscheidend, um den Quantenzustand der Qubits zu erhalten und sie effizient miteinander zu verbinden. So arbeiten große Unternehmen wie IBM, Intel, Microsoft und Google bereits daran, supraleitende Quantenprozessoren hochzuskalieren.

Eine wesentliche Schwierigkeit besteht allerdings darin, den Quantenzustand aufrechtzuerhalten. Wechselwirkungen mit der Umgebung können zur Dekohärenz führen, also zum Zerfall des Quantenzustands. Je mehr Qubits verwendet werden, desto schwieriger ist es, die Kohärenz zu bewahren. Forscher des KIT sowie der Nationalen Universität für Forschung und Technologie in Moskau haben jetzt erstmals granulares Aluminium als supraleitendes Material für Quantenschaltungen mit hoher Kohärenz eingesetzt. Das Team hat ein Fluxonium-Qubit mit granularem Aluminium hergestellt, das eine Kohärenzzeit von bis zu dreißig Mikrosekunden zeigt. Innerhalb dieser Zeitspanne können mehr als tausend logische Operationen durchgeführt werden. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass granulares Aluminium eine neue Klasse von komplexen Qubit-Designs erschließen und dazu beitragen kann, die derzeitigen Grenzen der Quanteninformationsverarbeitung zu überwinden“, erklärt Pop.

KIT / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  L. Grünhaupt et al.: Granular aluminium as a superconducting material for high-impedance quantum circuits, Nat. Mater., online 29. April 2019; DOI: 10.1038/s41563-019-0350-3
• FG Kinetic Inductance Quantum Systems (I. Pop) , Physikalisches Institut, Karlsruher Institut für Technologie