Supraleitende Qubits optisch ausgelesen
Neuer Ansatz könnte die Anzahl der nutzbaren Quantenbits deutlich erhöhen helfen.
Supraleitende Quantenbits – Qubits – könnten beim Bau eines großen Quantencomputers eine wichtige Rolle spielen. Aber sie sind auf elektrische Signale angewiesen und lassen sich nur schwer skalieren. Einem Team von Physikern am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) ist es gelungen, supraleitende Qubits vollständig optisch auszulesen und damit die derzeitigen Grenzen dieser Technologie zu überwinden.
Weitere Nachrichten zum Thema
Millionen von Qubits auf einem Chip
Abseits von Börsen und Technikmessen geht das Rennen um skalierbare Quantencomputer weiter, die einige Berechnungen exponentiell schneller durchführen könnten als klassische Computer. Obwohl dieser vielversprechende Quantenvorteil zu einer raschen Entwicklung von Quantenhardware geführt hat, müssen noch viele technische Hürden überwunden werden, bevor Quantencomputer nützlich werden. Nun ist es dem Team um Johannes Fink am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) gelungen, eine wichtige Einschränkung zu überwinden, was dazu beitragen könnte, Quantencomputer zu vergrößern. Indem das Team sicherstellte, dass die Qubits die Sprache der Glasfaseroptik verstanden, konnte es die Menge an kryogener Hardware, die für ihre Messung benötigt wird, erheblich reduzieren.
„Dieser neue Ansatz könnte es uns ermöglichen, die Anzahl der Qubits zu erhöhen, sodass sie für Berechnungen nützlich werden. Er legt auch den Grundstein für den Aufbau eines Netzwerks von supraleitenden Quantencomputern, die bei Raumtemperatur über Lichtwellenleiter miteinander verbunden sind“, sagt Georg Arnold. Supraleitende Quantencomputer stellen eine ganz eigene Herausforderung dar. Um supraleitende Qubits zu realisieren, werden winzige elektrische Schaltkreise auf extrem niedrige Temperaturen abgekühlt, bei denen sie jeglichen elektrischen Widerstand verlieren. „Supraleitende Qubits sind also definitionsgemäß elektrisch“, sagt Arnold.
Elektrische Signale haben jedoch eine vergleichsweise geringe Bandbreite und können nur wenige Informationen pro Zeiteinheit übertragen. Da sie leicht durch Rauschen überlagert werden, sind sie auch anfällig für Informationsverluste. Außerdem wird durch die erforderliche Verdrahtung viel Wärme abgeleitet. Daher benötigt das Qubit-Auslesen eine kolossale kryogene Kühlung sowie aufwendige und teure elektrische Komponenten, um das Signal zu filtern und verstärken. Optische Signale mit höherer Energie breiten sich dagegen in dünnen Glasfasern mit geringsten Verlusten aus. Darüber hinaus haben sie eine wesentlich geringere Wärmeabgabe und eine viel höhere Bandbreite.
Um eine vollständige optische Auslesung in supraleitender Quantenhardware zu erreichen, musste das Team einen Weg finden, das optische Signal zu den Qubits und zurück zu übersetzen. „Idealerweise würde man versuchen, alle elektrischen Signale loszuwerden, da die erforderliche Verkabelung eine Menge Wärme in die Kühlkammern transportiert, in denen sich die Qubits befinden. Aber das ist nicht möglich“, sagt Doktorand Thomas Werner. Daher dachten die Forscher daran, einen elektrooptischen Wandler zu verwenden, der das optische Signal in eine Mikrowellenfrequenz umwandelt.
Als Antwort reflektieren die Qubits ein Mikrowellensignal, das der elektrooptische Wandler in ein optisches Signal umwandelt. Werner betont die Schwierigkeit der Aufgabe: „Wir haben gezeigt, dass wir infrarotes Licht in die Nähe der Qubits schicken können, ohne dass sie dadurch ihre Supraleitfähigkeit verlieren.“ Durch die Verwendung des elektrooptischen Wandlers als Schalter konnte also das Team die Qubits direkt mit der Außenwelt verbinden.
Für nützliche Berechnungen mit Quantencomputern sind Tausende oder sogar Millionen von Qubits erforderlich. Die Infrastruktur hat jedoch Schwierigkeiten, damit Schritt zu halten, da die kryogene Kühlung, die benötigt ist, um die Qubits zu erkennen und zu messen, unerschwinglich ist. „Unsere Technologie kann die Wärmebelastung bei der Messung supraleitender Qubits erheblich verringern. Dadurch können wir die Qubit-Grenze durchbrechen und die Anzahl der Qubits, die im Quantencomputing verwendet werden können, erhöhen“, sagt Arnold.
Das Erreichen einer vollständig optischen Auslesung supraleitender Qubits ermöglichte es den Forschern auch, den Aufbau von vielen seiner schwerfälligen elektrischen Komponenten zu befreien. Das elektrische Signal in herkömmlichen Auslesesystemen ist sehr fehleranfällig und erfordert eine umfangreiche Signalkorrektur mit vielen technisch begrenzten und teuren elektrischen Komponenten, die zudem auf kryogene Temperaturen gekühlt werden müssen. „Indem wir die Qubits mit dem elektrooptischen Wandler von der elektrischen Infrastruktur abkoppelten, konnten wir alle übrigen Teile des Aufbaus durch Glasfaseroptik ersetzen“, sagt Werner. Das macht das System nicht nur robuster und effizienter, sondern senkt auch seine Kosten.
Diese Technologie könnte dazu beitragen, die Zahl der nutzbaren supraleitenden Qubits noch weiter zu erhöhen, da die Wissenschafter mehrere Quantencomputer mithilfe von Licht miteinander verbinden können. Derzeit benötigen Quantencomputer Verdünnungs-Kühlschränke, um den gesamten Messaufbau zu kühlen, einschließlich aller erforderlichen Verbindungen zwischen den Prozessormodulen. „Aber auch diese Verdünnungs-Kühlschränke haben praktische Grenzen und können nicht unendlich groß gebaut werden“, sagt Arnold. Die Platz- und Kühlungsbeschränkungen wiederum begrenzen die Anzahl der nutzbaren Qubits. Doch nun könnte die Verbindung von zwei Qubits in zwei getrennten Verdünnungs-Kühlschränken über eine Glasfaser in greifbare Nähe rücken, so die Forscher. „Die Infrastruktur ist vorhanden, und jetzt haben wir die Technologie, mit der wir die ersten einfachen Quantencomputer-Netzwerke aufbauen können“, sagt Arnold.
„Die Leistung unseres Prototyps ist noch recht begrenzt – insbesondere im Hinblick auf die benötigte und abgeleitete optische Leistung. Dennoch dient er als Grundsatzbeweis dafür, dass ein vollständig optisches Auslesen von supraleitenden Qubits überhaupt möglich ist. Es wird die Aufgabe der Industrie sein, die Technik weiter voranzutreiben“, so Arnold.
ISTA / JOL
