Hybridsystem mit verschiedenen Quantenbit-Arten

Quantenbits im Dialog

| Autor / Redakteur: Dr. Julia Weiler* / Tina Billo

In 6.500 Schubladen organisieren die Bochumer Physiker ihre selbst hergestellten Halbleiter. Diese Schublade beinhaltet einen Wafer mit einer Probe in einem keramischen Träger (vorne).
In 6.500 Schubladen organisieren die Bochumer Physiker ihre selbst hergestellten Halbleiter. Diese Schublade beinhaltet einen Wafer mit einer Probe in einem keramischen Träger (vorne). (Bild: © RUB, Marquard)

Einem japanisch-deutschen Forscherteam ist es erstmals gelungen, Informationen zwischen verschiedenen Arten von Quantenbits auszutauschen. Damit haben sie einen weiteren Schritt hin zu einem leistungsfähigeren Quantencomputer getan.

Quantenbits, kurz Qubits, könnten eines Tages die Informationsspeichereinheit von Quantencomputern bilden. Sie lassen sich auf verschiedene Arten realisieren, wobei jede ihre Vorteile hat. Eine Kombination verschiedener Qubit-Arten könnte daher besonders leistungsfähige Rechner ermöglichen.

Halbleitertechnologie als Plattform

"Quantenbits lassen sich genau wie klassische Bits in verschiedenen technischen Ausführungen realisieren", erklärt Prof. Dr. Andreas Wieck, Leiter des Bochumer Lehrstuhl für Angewandte Festkörperphysik. Es gibt sie beispielsweise in Form von einzelnen frei schwebenden Atomen, in Form von Spinzuständen oder als transistor-ähnliche Elektronenpfützen. Sie können aber auch als Quantenpunkte umgesetzt werden; dabei handelt es sich um Elektronen, die in einem begrenzten Bereich eines Halbleiters eingesperrt werden.

"Da die Halbleitertechnologie bereits weit entwickelt ist, bietet es sich an, diese Plattform zur Herstellung von Qubits zu nutzen", sagt der Bochumer Physiker Dr. Arne Ludwig.

Arne Ludwig (links) und Andreas Wieck sind Experten für die Herstellung von Quantenpunkten in Halbleitern.
Arne Ludwig (links) und Andreas Wieck sind Experten für die Herstellung von Quantenpunkten in Halbleitern. (Bild: © RUB, Marquard)

Unterschiedliche Arten von Quantenbits

Zwei Arten von Quantenpunkten gelten als besonders leistungsfähig: die LD-Qubits, benannt nach ihren Erfindern Daniel Loss und David DiVicenzo, und die Single-Triplett-Qubits, kurz auch ST-Qubits genannt. Beide haben unterschiedliche Vor- und Nachteile: Mit LD-Qubits lassen sich Informationen nur langsam schreiben und auslesen; dafür können sie Informationen über eine lange Zeit speichern.

ST-Qubits sind quasi das Gegenteil: Sie lassen sich schnell initialisieren, können also schnell Informationen einspeichern, und lassen sich auch schnell wieder auslesen. Allerdings können sie Informationen nicht lange stabil speichern.

Vorteile kombinieren

Um die Vorteile beider Quantenbit-Typen nutzen zu können, kombinierten die Forscher sie in einem Hybrid-System. Die Halbleiter dafür stellte das Team der Ruhr-Universität Bochum her. Die Gruppe zeigte, dass sich Informationen zwischen den beiden Qubit-Arten durch das quantenphysikalische Phänomen der Verschränkung übertragen lassen – und zwar in nur 5,5 Nanosekunden.

So konnte die im LD-Qubit gespeicherte Information durch das schnelle ST-Qubit ausgelesen werden. „Das ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einer leistungsfähigen Quantencomputerarchitektur, die Daten schnell verarbeiten kann“, resümiert Andreas Wieck.

Originalpublikation

Die Arbeit mit dem Titel "A fast quantum interface between different spin qubit encodings" von Akito Noiri et al. erschien unter Federführung des japanischen Riken Centers und mit Beteiligung der Ruhr-Universität Bochum und der University of Tokyo am 29. November 2018 online in der Zeitschrift Nature Communications.

* Dr. Julia Weiler ist stellvertretende Redaktionsleiterin Online-News, Ressort Wissenschaft, an der Ruhr-Universität Bochum.

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