Neue Wege zur Skalierbarkeit: modulare Quantencomputersysteme weiterentwickeln

BerlinNeueste Forschungsergebnisse im Bereich des Quantencomputings haben eine praktikable Methode zur Herstellung großer Quantenprozessoren aufgezeigt. Quantencomputer nutzen sogenannte Qubits zur Speicherung und Verarbeitung von Informationen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Bits können Qubits gleichzeitig in mehreren Zuständen sein, was Berechnungen erheblich beschleunigt. Ein großes Hindernis im Quantencomputing besteht jedoch darin, Millionen von Qubits gleichzeitig zu steuern, was extrem komplexe Elektronik erfordert.

Ein neuer Forschungsbericht der Professorin Vanita Srinivasa von der University of Rhode Island stellt ein System zur Erweiterung von Quantenprozessoren vor. Die Hauptidee besteht darin, flexible Verbindungen zu nutzen, um Qubits über große Entfernungen zu verknüpfen. Diese Methode ermöglicht korrelierte Quantenoperationen, die entscheidend dafür sind, dass Quantencomputer leistungsfähiger als herkömmliche Computer werden.

Wichtige Fakten:

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• Quantencomputer müssen jeden Qubit einzeln bei unterschiedlichen Frequenzen steuern.
• Das Verbinden mehrerer Qubits erfordert in der Regel das Angleichen ihrer Frequenzen, was bei größerer Skalierung unpraktisch wird.
• Die Studie präsentiert eine Methode, zusätzliche Frequenzen für jeden Qubit durch Anwendung von oszillierenden Spannungen zu erzeugen.

Im vorgeschlagenen System werden Spin-Qubits in Halbleitern durch Eigenschaften wie Elektronenspin gesteuert, was den Informationsverlust verringert. Anstatt einfach mehr Qubits zu einem Array hinzuzufügen, schlagen Forscher einen modularen Ansatz vor. Jedes Modul ist ein kleines Qubit-Array, das mit langreichweitigen verschränkten Verbindungen verbunden werden kann.

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Diese modulare Herangehensweise bietet mehrere Vorteile:

• Skalierbarkeit: Quantumprozessoren können durch modulare Einheiten, die durch stabile Verbindungen verknüpft sind, erweitert werden.
• Flexibilität: Mehrere Resonanzbedingungen ermöglichen die einfache Integration neuer Qubits ohne Frequenzabgleich.
• Robustheit: Die geringere Empfindlichkeit gegenüber Photonleckagen garantiert stabile, langreichweitige Verbindungen zwischen den Qubits.

Die Studie untersuchte Spin-Qubits, die auf Quantenpunkten basieren und durch Mikrowellenphotonen in supraleitenden Hohlräumen miteinander interagieren. Quantenpunkte fangen Elektronen in kleinen Bereichen innerhalb von Halbleitern ein, die durch Spannungen gesteuert werden. Supraleitende Hohlräume halten größere Photonen fest, die für die Verbindung von Qubits entscheidend sind. Frühere Experimente hatten Schwierigkeiten, die Frequenzen von Qubits und Photonen zur Resonanz zu bringen, selbst wenn nur zwei Qubits beteiligt waren.

Die Forscher lösten das Problem, indem sie oszillierende Spannungen verwendeten, um die Spins schnell hin- und herzubewegen. Dadurch ergaben sich zusätzliche Frequenzoptionen für jedes Qubit, was das Abstimmen der Frequenzen erleichterte. Infolgedessen gibt es nun neun verschiedene Möglichkeiten, zwei Qubits zu verbinden, wodurch die Vielfalt der Verschränkungsoperationen verbessert wurde.

Die Methode bietet vielversprechende Ansätze zur Schaffung modularer Quantenprozessoren mit Halbleiter-Qubits. Der nächste Schritt besteht darin, diese Konzepte auf reale Quantencomputer anzuwenden, um bestehende Probleme zu lösen und praktische Quantenprozessoren zu realisieren.