16.01.2023

Stabilere Zustände für Quantencomputer

Qubits bestehen aus einer einzelnen Schicht aus granularem Aluminium.

Quantenbits sind die kleinste Recheneinheit von Quantencomputern. Da sie nicht nur über zwei Zustände verfügen, sondern auch über Zustände dazwischen, verarbeiten Qubits mehr Informationen in kürzerer Zeit. Einen solchen Zustand länger aufrecht­zuerhalten, ist allerdings schwierig und insbesondere von den Material­eigenschaften abhängig. Ein Forschungsteam des Karlsruher Instituts für Technologie erzeugte jetzt Qubits, die hundertmal sensitiver auf Material­defekte sind – ein entscheidender Schritt, um diese auszumerzen.

Abb.: Die Eigenschaften von Gralmonium-Qubits werden durch eine winzige...
Abb.: Die Eigenschaften von Gralmonium-Qubits werden durch eine winzige Engstelle von nur zwanzig Nanometern dominiert. (Bild: D. Rieger, KIT)

Quantencomputer können große Daten­mengen schneller verarbeiten, weil sie viele Rechen­schritte parallel durchführen. Eine Schwierig­keit liegt im Moment allerdings noch darin, Qubits herzustellen, die klein genug sind und sich schnell genug schalten lassen, um Quanten­kalkulationen auszuführen. Als vielver­sprechende Option gelten hier supraleitende Schaltungen. Nun ist es gelungen, neuartige und unkonven­tionelle supraleitende Qubits zu entwickeln. „Das Herzstück eines supra­leitenden Qubits ist ein Josephson-Kontakt, der zur Speicherung von Quanten­information dient. Genau an dieser Stelle haben wir eine entscheidende Veränderung vorgenommen“, so Ioan M. Pop vom Institut für Quanten-­Materialien und Techno­logien (IQMT).

In der Regel werden solche Josephson-Kontakte für supra­leitende Quantenbits erzeugt, indem zwei Aluminium­schichten durch eine dünne Oxid-Barriere getrennt werden. „Im Gegensatz dazu verwenden wir für unsere Qubits nur eine einzelne Schicht aus granularem Aluminium, einem Supraleiter aus wenige Nanometer großen Aluminium­körnern, die in einer Oxid-Matrix eingebettet sind“, sagt Pop. Dadurch bildet das Material von sich aus ein dreidimen­sionales Netzwerk aus Josephson-Kontakten. „Spannender­weise werden die gesamten Eigenschaften unseres Qubits durch eine winzige Engstelle von nur zwanzig Nanometern dominiert. Dadurch wirkt es wie eine Lupe für mikro­skopische Material­defekte in supraleitenden Qubits und bietet eine vielver­sprechende Perspektive für deren Verbesserung“, ergänzt Simon Günzler vom IQMT.

Die Qubits sind eine funda­mentale Weiter­entwicklung eines bereits zuvor erprobten Ansatzes mit Fluxonium-Qubits. Bei dieser Vorgängerversion wurden Teile aus granularem Aluminium und andere Teile konventionell aus Aluminium hergestellt. Bei der aktuellen Arbeit gingen die Forschenden noch den entscheidenden Schritt weiter und stellten die kompletten Qubits aus granularem Aluminium her. „Als würde man einen Quanten­schaltkreis einfach aus einem Metallfilm heraus­schneiden. Dadurch ergeben sich ganz neue Möglich­keiten für die industrielle Herstellung mit Ätzverfahren und erweiterte Einsatz­bereiche für die Qubits, zum Beispiel in starken Magnetfeldern“, so Dennis Rieger vom Physika­lischen Institut des KIT. Diese Erfindung haben die Autoren nun durch ein europäisches Patent geschützt.

KIT / JOL

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