Qubits länger speichern

Einer inter­nationalen Arbeits­gruppe ist es gelungen, die Speicher­dauer von supra­leitenden Quanten­schaltern weiter zu verbessern. Dass die darin aufbe­wahrten Daten möglichst lange erhalten bleiben, ist eine wichtige Voraus­setzung für die Realisierung leistungs­fähiger Quanten­computer. Die Forscher, darunter der Jülicher Physiker Gian­luigi Catelani, entwickelten und testeten dazu eine Technik, die unge­paarte Elektronen aus den Schalt­kreisen entfernt. Diese ver­ringern die Speicher­dauer.

Quanten­computer könnten beim Lösen be­stimmter Aufgaben eines Tages eine deutlich höhere Rechen­geschwindig­keit erzielen als her­kömmliche Digital­rechner. Supra­leitende Schalt­kreise gehören zu den viel­versprechendsten Kandi­daten für die Dar­stellung von Qubits, mit denen Quanten­rechner Informa­tionen speichern und verarbeiten. Die hohe Fehler­anfällig­keit der bisher verfüg­baren Qubits begrenzt bisher noch die Größe und Leistungs­fähigkeit der Quanten­computer. Gianluigi Catelani vom Jülicher Peter Grünberg Institut und seine Kollegen haben nun einen Weg gefunden, den Zeitraum, über den supra­leitende Schalt­kreise digitale Werte speichern können, zu verviel­fachen.

Wenn man supra­leitende Materia­lien unter eine material­spezifische Tem­peratur abkühlt, bilden jeweils zwei Elektronen Paare und Strom fließt ohne Wider­stand. Jedoch ist es bisher nicht möglich, supra­leitende Schalt­kreise zu bauen, in denen sich alle Elek­tronen zu Paaren zusammen­finden. Einzelne Elek­tronen bleiben ungepaart und können sich nicht wider­standslos bewegen. Durch diese Quasi­Partikel geht Energie verloren und dies begrenzt die Dauer, mit der die Schalt­kreise Daten speichern können. Die Forscher haben nun eine Technik ent­wickelt und getestet, die die unge­paarten Elek­tronen vorüber­gehend aus dem Schalt­kreis entfernen kann: Mit Hilfe von Mikro­wellen­pulsen werden sie abgepumpt. Die Lebens­dauer der Qubits verdrei­facht sich dadurch.

„Die Technik kann grund­sätzlich sofort für alle supra­leitenden Qubits genutzt werden“, erläutert Catelani, der als theo­retischer Physiker zur Analyse und Inter­pretation der experi­mentellen Daten beige­tragen hat. Der Forscher unter­streicht, dass die Lebens­dauer der Qubits jedoch nur eine von vielen Hürden bei der Ent­wicklung komplexer Quanten­computer ist. Auch werden die Quasi­partikel durch die neue Technik nicht dauer­haft entfernt, sondern fließen immer wieder zurück. Dafür haben die Forscher aber bereits eine Lösung parat: Das Abpumpen könnte mit einer Methode kombiniert werden, die die Quasi­partikel dauerhaft einfängt.

FZJ / JOL