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Supraleitendes Qubit

Von Rainer Scharf

Während heutige Computer noch mit Bits und Bytes rechnen, wird der Quantencomputer Qubits verarbeiten, kohärente Überlagerungen von jeweils zwei Quantenzuständen. Niederländische Forscher haben ein elektronisches Bauelement konstruiert, mit dem sie ein solches Qubit speichern und manipulieren können.

Seine Vorzüge kann der Quantencomputers nur bei sehr speziellen Aufgaben zeigen, etwa wenn er große Zahlen in ihre Primfaktoren zerlegen oder riesige Datensätze durchsuchen soll. Doch hier könnte er in Stunden oder Tagen schaffen, wofür herkömmliche Elektronenrechner Jahre oder sogar Jahrhunderte benötigen. Dazu muss der Quantencomputer gleichzeitig einige Hundert Qubits speichern, verarbeiten und während der Rechnung vor störenden Umwelteinflüssen schützen können.

Die Umwelteinflüsse zerstören die kohärente Überlagerung der Quantenzustände und verwandeln die Qubits wieder in Bits. Dies geschieht meist so schnell, dass kaum Zeit bleibt, um mit den Qubits die für eine Berechnung nötigen Operationen durchzuführen. Die Verwirklichung des Quantencomputers steht und fällt damit, wie gut man die Qubits von der Umwelt abschirmen kann. Dazu speichert man sie zum Beispiel in den Spins von Atomkernen oder den Anregungszuständen von isoliert gehaltenen Ionen. Auf diese Weise konnten Atomphysiker schon einfache Berechnungen mit wenigen Qubits durchführen.

Doch im Wettrennen um den Quantencomputer erhalten die Atomphysiker zunehmend Konkurrenz von den Festkörperphysikern, wie die Arbeit von Irinel Chiorescu und seinen Mitarbeitern an der TU Delft zeigt. Sie haben ein Qubit in einer Mikrometer großen supraleitenden Metallschlaufe gespeichert und sein Verhalten beobachtet. Es zeigte sich, dass das Qubit nach etwa 900 Nanosekunden zerfallen war - eine kleine Ewigkeit in diesem Zusammenhang. Allerdings machten sich die Umwelteinflüsse schon nach 20 Nanosekunden störend bemerkbar.

(Bild)
Ein Speicher für ein Qubit: rechts die supraleitende Schlaufe, in der kreisförmig der Strom fließt; links der so genannte SQUID, mit dem das Qubit in der Schlaufe gemessen wird. (Quelle: Chiorescu, TU Delft)

Die Metallschlaufe bestand aus einer Aluminiumleiterbahn, die an drei Stellen durch eine dünne, nicht leitende Aluminiumoxidschicht unterbrochen war. Auf 25 Millikelvin abgekühlt, wurde das Aluminium supraleitend und die Oxidschichten wurden zu Josephson-Kontakten, durch die der supraleitende Strom hindurchtunneln musste. Setzten die Forscher ihre Schlaufe einem wohldosierten Magnetfeld aus, so begann ein Strom kreisförmig in der Schlaufe zu fließen, der aus vielen Milliarden Cooper-Paaren bestand.

Da der Strom in der Schlaufe ebenso gut rechts wie links herum fließen konnte, machte er kurzerhand beides zugleich: Es bildete sich ein Quantenzustand - ähnlich dem der Schrödinger-Katze - bei dem sich Milliarden von Teilchen zugleich im Uhrzeigersinn und ihm entgegen bewegten. Durch einen Mikrowellenpuls ließ sich dieser Quantenzustand in einen ähnlichen Zustand mit geringfügig höherer Energie bringen, dessen weitere Entwicklung die Forscher mit Hilfe eines an die Schlaufe gekoppelten SQUIDS (ein supraleitender Quanteninterferenzdetektor) beobachteten. Auf diese Weise konnten sie ein Qubit auf die Schlaufe übertragen, es verändern und seine weitere Entwicklung verfolgen.
Die Forscher sind zuversichtlich, dass ihr "supraleitendes Qubit" ein Bauelement für den Quantencomputer werden könnte. Im Wettstreit mit ihren Kollegen aus der Atomphysik, die bislang nur wenige Qubits speichern können, haben die Delfter Forscher noch einen Trumpf im Ärmel. Sie haben schon Schaltungen mit Tausenden von supraleitenden Schlaufen hergestellt, die ebenso viele Qubits speichern und verarbeiten könnten. 

Quelle
I. Chiorescu et al., Coherent Quantum Dynamics of a Superconducting Flux Qubit. Science 299, 1869 (2003)
http://www.sciencemag.org/cgi/content/short/299/5614/1869

Kontakt
Irinel Chiorescu, E-Mail: chiorescu@qt.tn.tudelft.nl
http://vortex.tn.tudelft.nl/people/photos2/irinel.htm

Weitere Infos

TU Delft
http://qt.tn.tudelft.nl/index.php

Universität Karlsruhe:
http://www-tfp.physik.uni-karlsruhe.de/Forschung/quantumcomp.shtml

NIST, Boulder
http://www.boulder.nist.gov/div814/div817b/whatwedo/qcomputing/qcomputing.htm

Y. Makhlin et al., Quantum-state engineering with Josephson-junction devices, Rev. Mod. Phys. 73, 357 (2001)
http://arxiv.org/abs/cond-mat0011269

 

pro-physik.de v. 14.2.2003

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