15.11.2017

Module für Quantencomputer geschrumpft

Mit winzigen Zirkulatoren sollen sich mehr Qubits miteinander verknüpfen lassen.

Qubits sind die Schlüssel­bausteine zukünf­tiger Quanten­computer. Um eine Berechnung durchzu­führen, müssen Signale zu und von den Qubits weg geleitet werden. Gleich­zeitig sind Qubits aber extrem empfind­lich gegenüber Störungen aus ihrer Umgebung und müssen von uner­wünschten Signalen, insbe­sondere von Magnet­feldern, abgeschirmt werden. Es ist daher ein Problem, dass Bau­elemente wie Isolatoren oder Zirku­latoren, die Qubits vor uner­wünschten Signalen schützen sollten, selbst Magnet­felder erzeugten.

Abb.: Zirkulatoren wie der neue nichtreziproke Bauteil wirken wie Kreisverkehre für Photonen. (Bild: B. Rieger, IST Austria)

Darüber hinaus sind kommerz­ielle Zirku­latoren mehrere Zenti­meter groß, was proble­matisch ist, da ein Quanten­prozessor eine große Anzahl solcher Elemente benötigt. Jetzt haben Wissen­schaftler des Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) in Kloster­neuburg gleich­zeitig mit konkur­rierenden Gruppen in der Schweiz und den USA die Größe dieser Bauteile um etwa zwei Größen­ordnungen verringert. Ihre Vor­richtung, deren Funktion sie mit der eines Kreis­verkehrs für Photonen vergleichen, ist nur etwa ein Zehntel Millimeter groß und sie ist nicht­magnetisch.

„Stellen Sie sich einen Kreis­verkehr vor, in dem Sie nur gegen den Uhrzeiger­sinn fahren können“, erklärt Shabir Barzanjeh, Postdoc in der Gruppe von Johannes Fink am IST Austria. „An der ersten Ausfahrt, ganz unten, befindet sich unser Qubit. Sein schwaches Signal kann zur zweiten Ausfahrt ganz oben gelangen. Aber ein Signal, das von dieser zweiten Ausfahrt kommt, kann nicht den­selben Weg zurück zum Qubit nehmen. Es wird gezwungen, entgegen dem Uhrzeiger­sinn zu fahren, und bevor es Ausgang 1 erreichen kann, trifft es auf Ausgang 3. Dort blockieren wir es und verhindern, dass es das Qubit beschädigt.“

Die von der Gruppe ent­wickelten Zirku­latoren bestehen aus inte­grierten Aluminium­schaltkreisen auf Silizium­chips. Erstmals wurden dabei mikro­mechanischen Oszil­latoren verwendet: zwei kleine Silizium­balken, die auf dem Chip wie Gitarren­saiten schwingen und mit dem Schaltkreis inter­agieren. Diese Bauteile sind winzig: nur etwa einen Zehntel Millimeter im Durch­messer, was einen der Haupt­vorteile des neuen Geräts gegenüber seinen tradi­tionellen Vorgängern darstellt, die einige Zentimeter breit waren.

Die Prinzipien von Quanten­computern werden derzeit nur an einigen wenigen Qubits getestet, aber in Zukunft werden Tausende oder sogar Millionen von Qubits miteinander verbunden sein, und viele dieser Qubits benötigen ihren eigenen Zirku­lator. „Stellen Sie sich vor, Sie bauen einen Prozessor mit Millionen solcher zentimeter­großen Kompo­nenten. Er wäre enorm groß und unprak­tisch“, sagt Shabir Barzanjeh. „Unsere nicht­magnetischen und sehr kompakten Mikrochip­zirku­latoren zu verwenden macht das Leben viel einfacher.“ Bis es zu dieser konkreten Anwendung der neuen Bauteile kommt, sind aber noch einige Hürden zu nehmen. So ist die verfügbare Signal­bandbreite derzeit noch recht klein und die relativ hohen erforder­lichen Eingangs­leistungen könnten den Qubits schaden. Die Forscher sind aber zuver­sichtlich, dass sich diese Probleme als durchaus lösbar erweisen werden.

IST Austria / JOL

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