Quantencomputer sollen in naher Zukunft hochkomplexe Aufgaben übernehmen. Bei supraleitenden Quantenrechnern war es bisher allerdings schwierig, das Ergebnis eines Experiments auszulesen. Denn die Messungen können zu störenden Quantenübergängen führen. Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Université de Sherbrooke in Québec haben nun das Verständnis dieser Vorgänge experimentell vertieft und gezeigt, dass eine Kalibrierung der Ladung an den Qubits zur Fehlervermeidung beiträgt. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden jetzt in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

Qubits aus Transmons

Unbestritten besitzen Quantencomputer großes Potenzial, den Herausforderungen der Zukunft zu begegnen. Dazu gehört beispielsweise die Entwicklung neuer Materialien mit genau definierten Eigenschaften. Quantenprozessoren arbeiten mit Qubits, die nicht nur die Zustände Null oder Eins, sondern beide gleichzeitig annehmen können. Zudem lassen sich Qubits miteinander verschränken. Dies ermöglicht bisher ungekannte Rechenleistungen. Daher eignen sich Quantencomputer besonders gut für hochkomplexe Aufgaben, wie Kryptographie oder Simulationen für Natur- und Ingenieurwissenschaften. Qubits lassen sich unter anderem aus Transmons bauen, das sind künstliche Atome, die aus winzigen Schaltkreisen bestehen. Diese sind supraleitend, das heißt, sie weisen bei tiefen Temperaturen keinen elektrischen Widerstand auf. Derzeit sind Transmons die stabilsten supraleitenden Qubits. Sie lassen sich einfach fertigen und gut steuern.

Qubit kann bei Messungen in unerwünschte Zustände ausbrechen

Bei der Skalierung von auf supraleitenden Qubits, speziell Transmons, basierenden Quantencomputern war es bisher allerdings schwierig, das Ergebnis eines Experiments zuverlässig auszulesen, ohne den Quantenzustand zu stören. Beim Auslesen werden viele Mikrowellen-Photonen in einen Resonator geschickt. Dabei kann es dazu kommen, dass das Qubit in höhere Energiezustände springt. Dieser Prozess, der sich mit der Ionisierung eines Atoms unter starkem Licht vergleichen lässt, macht die Messung unzuverlässig. „Wenn wir verstehen, bei welchen Photonenzahlen im Resonator und bei welcher Ladung am Transmon das Qubit in unerwünschte Zustände ausbricht, können wir die Messprozedur optimieren, beispielsweise durch gezielte Wahl der Betriebsparameter oder Stabilisierung der Ladung“, erklärt Professor Ioan M. Pop, der am Institut für QuantenMaterialien und Technologien (IQMT) des KIT die Forschung zu Quanten-Computing leitet.

Praktische Strategien für eine zuverlässigere Quantenauslesung

Forschende am IQMT und am Physikalischen Institut (PHI) des KIT sowie an der Université de Sherbrooke in Québec in Kanada haben nun in einer gemeinsamen Studie das Verständnis der Messrückwirkung in supraleitenden Qubits anhand von Experimenten vertieft und praktische Strategien für eine zuverlässigere Quantenauslesung erarbeitet. „Eine wesentliche Schwierigkeit bei der Untersuchung der durch Messungen ausgelösten Quantenübergänge ist das Vorhandensein von Ladungsschwankungen im Schaltkreis, ein allgegenwärtiges Problem für alle Festkörperplattformen“, erläutert Dr. Mathieu Féchant, der am IQMT zu Quanten-Computing forscht. „In dieser Arbeit überwachen und kalibrieren wir diesen Parameter wiederholt neu, während wir die Auslesestärke variieren.“

Ergebnisse der Experimente stimmen mit theoretischen Modellen überein

Die Ergebnisse der Experimente stimmen mit kürzlich vorgeschlagenen theoretischen Modellen überein und bestätigen das Verständnis von der zugrunde liegenden Physik. Die Forschenden zeigen auch, dass sich durch aktive Kalibrierung der Ladung an den Transmons die Auslesung in Photonenzahl-Bereichen betreiben lässt, in denen die störenden Quantenübergange verringert werden. Langfristig soll die Studie dazu beitragen, Fehler beim Auslesen zu vermeiden und dadurch supraleitende Quantencomputer zuverlässiger zu machen.

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