Mikrowellengesteuerte Quanteninformatik mit eingefangenen Ionen stellt neue Rekorde auf
Eingefangene atomare Ionen stellen eine der vielversprechendsten Plattformen für die Realisierung von Quantencomputern im großen Maßstab dar. Die Qubits basieren auf den stabilen elektronischen Zuständen von Ionen, die mithilfe von elektromagnetischen Feldern eingegrenzt und eingefangen werden. Skalierbarkeit ist in Sicht, da Millionen identischer eingefangener Ionen-Qubits – Atomuhrstandards – erzeugt werden können. Konventionell wird jedes Qubit mit zwei Laserstrahlen manipuliert. Das funktioniert im Labor für ein Qubit oder einige wenige Qubits, aber für Quantencomputer im großen Maßstab wären Millionen Laserstrahlen erforderlich. Eine gut etablierte und kompakte Mikrowellentechnologie könnte den Ersatz von Laserstrahlpaaren durch angelegte Spannung auf einem Mikrochip bei milden Temperaturen begünstigen. Das EU-finanzierte Projekt MicroQC hat diesen Ansatz weiterentwickelt und den Weg für eine Quanteninformatik im großen Maßstab geebnet, die eine skalierbare mikrowellengesteuerte Quantenlogik auf einem Chip nutzt.
Mikrowellengesteuerte Quantencomputer mit eingefangenen Ionen: wichtigste Herausforderungen
Die Verwendung von Mikrowellenstrahlung anstelle von präzise gesteuerten Laserstrahlen bietet der Wissenschaft die Möglichkeit, viele Ionen mit einer einzigen Quelle zu bestrahlen. Handelsübliche Mikrowellenkomponenten können diesen Zweck erfüllen. Die langwellige Globalstrahlung allein hat jedoch nur einen schwachen Einfluss auf die Ionenbewegung. In Kombination mit starken lokalen Magnetfeldern ist eine präzise und effiziente Kontrolle der Qubits von Interesse möglich. Eine wesentliche Herausforderung besteht in den Auswirkungen großer Magnetfeldgradienten auf mikrogefertigte Ionenfallenchips. Darüber hinaus setzt sich das derzeitige Konzept einer groß angelegten Ionenfallen-Quantencomputerarchitektur aus verschiedenen Modulen (wie winzige Kacheln) zusammen, die über „X-Übergänge“ miteinander verbunden sind, die es einem einzelnen Ionen-Qubit erlauben, mit seinen Nachbarn zu interagieren. Ihre Modularität sorgt für Skalierbarkeit. Jedes Modul besitzt jedoch verschiedene Zonen für das Laden und Einfangen, die Manipulation, die Speicherung und das Auslesen, wodurch hochgenaue Ionentransportprotokolle erforderlich sind. So bedeutet beispielsweise 99 % Genauigkeit weniger als 1 Fehler pro 100 Vorgänge.
Rekordverdächtige Tiefstwerte: Übersprechen und Ionentransportfehler
MicroQC hat diese beiden Herausforderungen erfolgreich bewältigt. Projektkoordinator Nikolay V. Vitanov von der Universität Sofia erklärt: „Im Rahmen von MicroQC wurden große Anstrengungen unternommen, um die mikrogefertigten Ionenfallenchips zu verbessern, wodurch die Möglichkeit bestand, den Magnetfeldgradienten um eine Größenordnung zu erhöhen – von etwa 20 auf fast 200 Tesla/Meter. Der größere Gradient gestattet die Konstruktion von viel schnelleren und präziseren Quantengattern.“ Die vielleicht bemerkenswertesten Errungenschaften des Konsortiums beziehen sich auf die Verbesserung der Zwei-Qubit-Gattertreue und die Minimierung von Übersprech- und Ionentransportfehlern. Um die Anzahl der Qubits eines Quantencomputers von derzeit 127 auf Millionen zu erhöhen, muss jedes Qubit oder Qubit-Paar einzeln und mit hoher Genauigkeit kontrolliert werden. Übersprechen – wenn sich die Manipulation eines Qubits auf andere auswirkt – erschwert die Quantenfehlerkorrektur erheblich, da Fehler dann weder lokal noch vorhersehbar geschehen. „MicroQC erreichte eine Gattertreue von 99,7 % für zwei Qubits, ein unerwünschtes Übersprechen auf benachbarte Qubits von weniger als 10-7 und einen Fahrplan für Quanteninformatik mit Millionen Qubits im Nutzmaßstab. Diese und andere Weltrekorde in der Quanteninformatik mit eingeschlossenen Ionen wurden durch die Arbeit des Projekts erreicht“, fügt Vitanov hinzu.
Die Zukunft der mikrowellenbasierten Quanteninformationsverarbeitung
Die im Rahmen des Projekts gewonnenen Erkenntnisse, Einsichten und Erfahrungen wurden in einem Fahrplan zusammengefasst, der einen hohen Technologiereifegrad für die mikrowellenbasierte Quanteninformationsverarbeitung mit eingefangenen Ionen anstrebt. Das Projekt mag zwar beendet sein, doch die erfolgreiche Gründung der Start-ups Universal Quantum, Qudora Technologies und EleQtron stellt sicher, dass seine bahnbrechenden Erfolge in den Quantencomputern von morgen praktische Anwendung finden werden, um Probleme der realen Welt zu lösen.
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