In Zukunft könnten Quantencomputer neue Materialien schnell simulieren oder Wissenschaftlern helfen, schnellere Modelle für das maschinelle Lernen zu entwickeln, was viele neue Möglichkeiten eröffnen würde. Diese Anwendungen werden jedoch nur dann möglich sein, wenn Quantencomputer extrem schnell arbeiten können, so dass die Wissenschaftler Messungen und Korrekturen vornehmen können, bevor die zunehmenden Fehlerraten ihre Genauigkeit und Zuverlässigkeit beeinträchtigen. Die Effizienz dieses als Auslesen bezeichneten Messvorgangs hängt von der Stärke der Kopplung zwischen Photonen – Lichtteilchen, die Quanteninformationen tragen – und künstlichen Atomen ab, Materieeinheiten, die häufig zur Speicherung von Informationen in einem Quantencomputer verwendet werden.
Forscher des MIT haben nun die ihrer Meinung nach stärkste nichtlineare Kopplung zwischen Licht und Materie nachgewiesen, die jemals in einem Quantensystem erreicht wurde. Ihr Experiment ist ein Schritt auf dem Weg zur Realisierung von Quantenoperationen und -auslese, die in wenigen Nanosekunden durchgeführt werden könnten. Die Forscher nutzten eine neuartige supraleitende Schaltkreisarchitektur, um eine nichtlineare Licht-Materie-Kopplung zu zeigen, die etwa eine Größenordnung stärker ist als frühere Demonstrationen, wodurch ein Quantenprozessor etwa zehnmal schneller laufen könnte.
Quantencomputer für reale Anwendungen
„Es gibt noch viel zu tun, bevor die Architektur in einem echten Quantencomputer eingesetzt werden kann, aber die Demonstration der grundlegenden Physik hinter dem Prozess ist ein wichtiger Schritt in die richtige Richtung“, sagt Yufeng „Bright“ Ye, Hauptautor eines Artikels über diese Forschung. „Dies würde einen der Engpässe im Quantencomputing wirklich beseitigen. Normalerweise muss man die Ergebnisse seiner Berechnungen zwischen den Runden der Fehlerkorrektur messen. Dadurch könnten wir schneller das Stadium des fehlertoleranten Quantencomputers erreichen und in der Lage sein, unsere Quantencomputer für reale Anwendungen zu nutzen“, so Ye.
Kevin O'Brien, außerordentlicher Professor und leitender Forscher am Research Laboratory of Electronics (RLE) des MIT und Leiter der Quantum Coherent Electronics Group im Department of Electrical Engineering and Computer Science (EECS), ist ebenfalls an der Arbeit beteiligt. Weitere MIT-Koautoren, die dem RLE und/oder dem MIT Lincoln Laboratory angehören, sind Jeremy B. Kline, Alec Yen, Gregory Cunningham, Max Tan, Alicia Zang, Michael Gingras, Bethany M. Niedzielski, Hannah Stickler, Kyle Serniak und Mollie E. Schwartz.
Ein neuer Koppler
Diese physikalische Demonstration baut auf jahrelanger theoretischer Forschung in der O'Brien-Gruppe auf. Nachdem Ye 2019 als Doktorand in das Labor kam, begann er mit der Entwicklung eines speziellen Photonendetektors zur Verbesserung der Quanteninformationsverarbeitung. Im Rahmen dieser Arbeit erfand er eine neue Art von Quantenkoppler, ein Gerät, das die Wechselwirkungen zwischen Qubits erleichtert. Qubits sind die Bausteine eines Quantencomputers. Dieser so genannte Quarton-Koppler hatte so viele potenzielle Anwendungen für Quantenoperationen und -auslese, dass er schnell zu einem Schwerpunkt des Labors wurde.
Dieser Quarton-Koppler ist eine spezielle Art von supraleitendem Schaltkreis, der das Potenzial hat, eine extrem starke nichtlineare Kopplung zu erzeugen, die für die Ausführung der meisten Quantenalgorithmen unerlässlich ist. Wenn die Forscher mehr Strom in den Koppler einspeisen, entsteht eine noch stärkere nichtlineare Wechselwirkung. In diesem Sinne bedeutet Nichtlinearität, dass sich ein System auf eine Weise verhält, die größer ist als die Summe seiner Teile und komplexere Eigenschaften aufweist.
„Die meisten nützlichen Wechselwirkungen beim Quantencomputing entstehen durch nichtlineare Kopplung von Licht und Materie. Wenn man ein vielseitigeres Spektrum an verschiedenen Arten der Kopplung erhält und die Stärke der Kopplung erhöht, kann man die Verarbeitungsgeschwindigkeit des Quantencomputers wesentlich steigern“, erklärt Ye. Für die Quantenauslesung bestrahlen die Forscher ein Qubit mit Mikrowellenlicht. Je nachdem, ob sich das Qubit im Zustand 0 oder 1 befindet, kommt es zu einer Frequenzverschiebung an dem zugehörigen Ausleseresonator. Sie messen diese Verschiebung, um den Zustand des Qubits zu bestimmen. Die nichtlineare Licht-Materie-Kopplung zwischen dem Qubit und dem Resonator ermöglicht diesen Messprozess.
Die MIT-Forscher entwarfen eine Architektur mit einem Quarton-Koppler, der mit zwei supraleitenden Qubits auf einem Chip verbunden ist. Sie machen ein Qubit zu einem Resonator und verwenden das andere Qubit als künstliches Atom, das Quanteninformation speichert. Diese Information wird in Form von Mikrowellenlichtteilchen, so genannten Photonen, übertragen. „Die Wechselwirkung zwischen diesen supraleitenden künstlichen Atomen und dem Mikrowellenlicht, das das Signal weiterleitet, ist im Grunde der Aufbau eines ganzen supraleitenden Quantencomputers“, erklärt Ye.
Schnelleres Auslesen ermöglichen
Der Quarton-Koppler erzeugt eine nichtlineare Licht-Materie-Kopplung zwischen dem Qubit und dem Resonator, die um eine Größenordnung stärker ist als das, was Forscher bisher erreicht haben. Dies könnte ein Quantensystem mit blitzschneller Auslesung ermöglichen. „Diese Arbeit ist nicht das Ende der Geschichte. Dies ist die grundlegende physikalische Demonstration, aber die Gruppe arbeitet jetzt daran, eine wirklich schnelle Auslesung zu realisieren“, sagt O'Brien. Dazu müssten zusätzliche elektronische Komponenten wie Filter hinzugefügt werden, um eine Ausleseschaltung zu schaffen, die in ein größeres Quantensystem integriert werden könnte.
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Die Forscher demonstrierten auch eine extrem starke Materie-Materie-Kopplung, eine andere Art der Qubit-Wechselwirkung, die für Quantenoperationen wichtig ist. Dies ist ein weiteres Gebiet, das sie in Zukunft erforschen wollen. Schnelle Operationen und Auslesevorgänge sind für Quantencomputer besonders wichtig, weil Qubits eine endliche Lebensdauer haben, ein Konzept, das als Kohärenzzeit bekannt ist. Eine stärkere nichtlineare Kopplung ermöglicht es einem Quantenprozessor, schneller und mit weniger Fehlern zu arbeiten, so dass die Qubits mehr Operationen in der gleichen Zeit durchführen können. Das bedeutet, dass die Qubits während ihrer Lebensdauer mehr Runden der Fehlerkorrektur durchlaufen können. „Je mehr Durchläufe der Fehlerkorrektur möglich sind, desto geringer wird der Fehler in den Ergebnissen sein“, sagt Ye.
Langfristig könnte diese Arbeit den Wissenschaftlern dabei helfen, einen fehlertoleranten Quantencomputer zu bauen, der für praktische, groß angelegte Quantenberechnungen unerlässlich ist.
