Höhere Speicherdauer von Qubits

Geglückt: Weg mit Quasipartikeln aus supraleitenden Quantenschaltern

| Autor / Redakteur: Angela Wenzik / Ulrike Ostler

Die Abbildung illustriert das Herausfiltern unerwünschter Quasipartikel (rote Kugeln) aus einem Strom supraleitender Elektronenpaare (blaue Kugeln) mit Hilfe einer Pumpe mit Mikrowellen-Antrieb künstlerisch.
Die Abbildung illustriert das Herausfiltern unerwünschter Quasipartikel (rote Kugeln) aus einem Strom supraleitender Elektronenpaare (blaue Kugeln) mit Hilfe einer Pumpe mit Mikrowellen-Antrieb künstlerisch. (Quelle: Philip Krantz, Krantz NanoArt)

Fortschritt bei den Quantencomputern: Einem internationalen Team von Wissenschaftlern ist es gelungen, die Speicherdauer von supraleitenden Quantenschaltern zu verbessern.

Dass die in supraleitenden Quantenschaltern aufbewahrten Daten möglichst lange erhalten bleiben, ist eine wichtige Voraussetzung für die Realisierung leistungsfähiger Quantencomputer. Forscher wie der Jülicher Physiker Dr. Gianluigi Catelani vom Jülicher Peter Grünberg Institut (PGI-2), entwickeln und testen dazu eine Technik, die ungepaarte Elektronen aus den Schaltkreisen entfernt. Und jetzt ist es heraus: Diese verringern die Speicherdauer.

Quantencomputer könnten eines Tages eine deutlich höhere Rechengeschwindigkeit erzielen als herkömmliche Digitalrechner. Supraleitende Schaltkreise gehören zu den vielversprechendsten Kandidaten für die Darstellung von Quanten-Bits - kurz Qubits, mit denen Quantenrechner Informationen speichern und verarbeiten.

Die hohe Fehleranfälligkeit der bisher verfügbaren Qubits begrenzt aber bisher noch die Größe und Leistungsfähigkeit der Quantencomputer. Catelani und seine Kollegen haben nun einen Weg gefunden, den Zeitraum, über den supraleitende Schaltkreise eine „0“ oder „1“ speichern können, zu vervielfachen. Die weiteren Mitglieder des Teams arbeiten in den USA (Massachusetts Institute of Technology, Lincoln Laboratory, und University of California, Berkeley), Japan (RIKEN), und Schweden (Technische Hochschule Chalmers).

Die Paarbildung ist schwierig

Wenn man supraleitende Materialien unter eine materialspezifische Temperatur abkühlt, bilden jeweils zwei Elektronen Paare; Strom fließt dabei 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 so genannten 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 tatsächlich „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.

Die Quasipartikel kommen wieder

So 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. Eine solche „Falle“ für Quasipartikel hatte Catelani gemeinsam mit Kollegen aus Jülich und Yale bereits analysiert und getestet und die Ergebnisse im September in der Fachzeitschrift Physical Review B vorgestellt (DOI: 10.1103/PhysRevB.94.104516).

Hinweis: Die Originalveröffentlichung “Suppressing relaxation in superconducting qubits by quasiparticle pumping”; Simon Gustavsson et al. wurde gestern veröffentlicht: DOI: 10.1126/science.aah5844

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