Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf entwickelt neue Methode zur Ansteuerung von Qubits auf Quantencomputern
Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hat eine neue Methode entwickelt, um Qubits auf einem Quantencomputer anzusteuern. Qubits sind die grundlegenden Bausteine eines Quantencomputers und können sowohl den Zustand 0 als auch den Zustand 1 gleichzeitig tragen, was ihnen ein enormes Rechenpotenzial verleiht. Allerdings sind Quanteninformationen äußerst empfindlich und vergänglich, weshalb die Industrie immer noch auf der Suche nach Möglichkeiten ist, Quanteninformationen effizient zu übertragen.
Das Forschungsteam des HZDR hat nun einen neuen Ansatz präsentiert, um dieses Problem zu lösen. Die Wissenschaftler haben es geschafft, in einem handelsüblichen Material, Siliziumkarbid, Magnonen zu erzeugen. Magnonen sind wellenartige Anregungen in einem Magneten und können verwendet werden, um ein Qubit gezielt anzusprechen. Die Ergebnisse der Arbeitsgruppe wurden im Fachjournal Science Advances veröffentlicht.
Quantencomputer gelten als äußerst vielversprechende Rechnerkonzepte, da sie Routenoptimierungen, Molekülsimulationen und Datenbanksuchen deutlich schneller erledigen könnten als herkömmliche Supercomputer. Allerdings sind die bisherigen Modelle noch nicht ausreichend leistungsfähig, da sie über eine zu geringe Anzahl an Qubits verfügen. Eine Lösungsmöglichkeit könnte darin bestehen, mehrere kleinere Quantencomputer zu konstruieren und miteinander zu verbinden. Das Problem besteht jedoch darin, die Quanteninformation zwischen den Modulen so zu übertragen, dass sie nicht verloren geht. Hier setzt das Projekt des HZDR an.
Bisher ist die Verwendung von Mikrowellen die gängige Methode, um Quanteninformationen zu übertragen und Qubits anzusteuern. Google und IBM verfolgen diesen Ansatz mit ihren supraleitenden Qubits, die derzeit als das fortschrittlichste Konzept für Quantencomputer gelten. Das HZDR-Team verwendet hingegen Magnonen, um die Qubits anzusteuern. Magnonen sind magnetische Anregungswellen, die durch ein Material mit magnetischen Eigenschaften verlaufen. Der Vorteil besteht darin, dass die Wellenlänge von Magnonen deutlich kürzer ist als die herkömmlicher Mikrowellentechnik. Dadurch können die Bauteile platzsparender konstruiert werden.
Um Magnonen gezielt zu erzeugen, haben die HZDR-Forscher eine Schicht aus Siliziumkarbid verwendet. An einigen Stellen im Kristall fehlte ein Siliziumatom, an denen Elektronen aufgrund ihres Spins als Qubits dienen können. Über diesen Qubits platzierten die Experten ein spezielles Bauteil, bestehend aus einer mikrometerkleinen Scheibe aus einer magnetischen Nickel-Eisen-Legierung, um die Magnonen anzusteuern.
Das Experiment hat gezeigt, dass es prinzipiell möglich ist, Qubits gezielt durch die Verwendung von Magnonen anzusprechen. Obwohl mit dem aktuellen Versuchsaufbau noch keine Quantenberechnungen durchgeführt werden können, deutet dies auf das Potenzial hin, das Magnonen für die Ansteuerung von Qubits haben könnten. Bisher steht die Verwendung von Magnonen zur Ansteuerung von Qubits noch nicht vollständig im Fokus der Quantencomputer-Szene. Das Experiment des HZDR zeigt jedoch, dass diese Magnetwellen möglicherweise einen praktischen Nutzen haben könnten.
Die Experten haben bereits Pläne, ihren Ansatz weiterzuentwickeln. Sie möchten mehrere eng benachbarte Qubits so ansteuern, dass sie quantenmechanisch miteinander verschränkt werden können. Die langfristige Vision besteht darin, Magnonen durch elektrischen Gleichstrom so präzise anzusteuern, dass sie gezielt und ausschließlich mit einem einzelnen Qubit kommunizieren können.
Die verwendeten Materialien, Siliziumkarbid und die Nickel-Eisen-Legierung, sind bereits weit verbreitet in der Industrie im Gegensatz zu den eher ungewöhnlichen Materialien, die von anderen Forschungsteams bisher für Magnonen-Quantenexperimente genutzt wurden. Dies macht den Ansatz des HZDR möglicherweise für einen praktischen Einsatz attraktiv.
Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) betreibt Forschung in den Bereichen Energie, Gesundheit und Materie. Der Fokus liegt dabei auf Fragen zur effizienten Nutzung von Energie und Ressourcen, zur Verbesserung der Visualisierung, Charakterisierung und Behandlung von Krebserkrankungen sowie zum Verhalten von Materie und Materialien unter dem Einfluss hoher Felder und in kleinen Dimensionen.
Das HZDR entwickelt und betreibt große Infrastrukturen wie das Ionenstrahlzentrum, das Hochfeld-Magnetlabor Dresden und das ELBE-Zentrum für Hochleistungs-Strahlenquellen. Als Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft betreibt das HZDR sechs Standorte und beschäftigt fast 1.500 Mitarbeiter, darunter etwa 670 Wissenschaftler.
Schlagwörter: HZDR-Forscher Mauricio Bejarano + Helmut Schultheiß + Qubits
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