NUST MISIS: Neues Qubit funktioniert jetzt ohne Unterbrechungen

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Eine internationale Gruppe von Wissenschaftlern aus Russland, Großbritannien und Deutschland hat ein alternatives Qubit-Design präsentiert, mit dem ein Quantencomputer gebaut werden kann. Nanodrähte aus Supraleitern sind die Hauptelemente des Designs. In ersten Experimenten erwies sich der neue Supraleiter-Qubit als nicht schlechter als der traditionelle, auf Josephson-Kontakten aufbauende Supraleiter.   

     (Photo: https://mma.prnewswire.com/media/676855/NUST_MISIS_New_Qubit.jpg )

Durch die Zusammenarbeit von Wissenschaftlern des russischen Quantum Center und NUST MISIS in Russland, der University of London und des National Physical Laboratory in Teddington in Großbritannien sowie des Karlsruher Instituts für Technologie und des IPHT Jena in Deutschland, sowie Beiträgen von MIPT und Skoltech (Russland), ist es gelungen, ein grundlegend neues Qubit zu schaffen, das nicht auf dem Josephson-Übergang basiert, der Lücken im Supraleiter hat, sondern auf einem kontinuierlich supraleitenden Nanodraht. Die Forschungsarbeit wurde in Nature Physics veröffentlicht.

Wissenschaftler rechnen damit, dass Quantencomputer Meilensteine erreichen werden. Der universelle Quantencomputer wurde zwar noch nicht entwickelt, aber Wissenschaftler können mit Hilfe von Qubits bereits chemische Verbindungen und Materialien entwerfen. Das Berechnungsprinzip erlaubt es auf seiner Basis sogar, bereits heute komplexe Probleme zu lösen. Viele wissenschaftliche Gruppen arbeiten daher an der Verbesserung der einzelnen Bestandteile von Quantencomputern. Die Erforschung und Verbesserung der Qubits, die die wichtigsten Rechenzellen eines Quantencomputers darstellen, sind der schwierigste Teil dieses Prozesses.

Es gibt mehrere Ansätze zur Erzeugung von Qubits. So gibt es beispielsweise Qubits, die im optischen Bereich arbeiten. Sie sind jedoch schwierig zu skalieren, im Gegensatz zu Qubits auf Supraleitern, die im Funkbereich arbeiten und auf sogenannten Josephson-Übergängen basieren. Jeder dieser Übergänge ist eine Unterbrechung im Supraleiter, oder besser gesagt, eine dielektrische Schicht, durch die Elektronen hindurchtunneln.

Das neue Qubit basiert auf dem Effekt des Quantenphasenschlupfes (Quantum-Phase Slip, QPS) - dem kontrollierten periodischen Lösen und Wiederherstellen der Supraleitung in ultradünnen (ca. 4 nm) Nanodrähten, die im Normalzustand einen relativ großen Widerstand aufweisen. Professor Oleg Astafiev, Leiter des Artifical Quantum Systems Laboratory am MIPT in Russland und Forscher an der University of London und dem National Physical Laboratory in Teddington (Großbritannien), war der erste, der diesen Effekt, der zuvor theoretisiert worden war, experimentell beobachtete. Seine Pionierarbeit wurde 2012 in Nature veröffentlicht.

Professor Ustinov, einer der Forscher des Projekts, Leiter der Forschungsgruppe RQC, Leiter des Labors für supraleitende Metamaterialien am NUST MISIS und Professor am Karlsruher Institut für Technologie (Deutschland), weist darauf hin, dass es Forschern gelungen ist, eine neue Art von supraleitenden Bauelementen zu entwickeln, die in vielerlei Hinsicht SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) ähnlich ist, einem hochempfindlichen Magnetometer, das auf Josephson-Übergängen basiert.

Die Störung in dem neuen Gerät wird durch ein elektrisches Feld (anstelle eines Magnetfeldes) verursacht, das die elektrische Ladung auf der Insel zwischen den beiden Nanodrähten verändert. Diese Drähte füllen die Rolle der Josephson-Kontakte, und - was noch besser ist -  sie erfordern keine Unterbrechung und können aus einer einzigen Schicht eines Supraleiters hergestellt werden.

Laut Professor Ustinov konnte das internationale Team während der Forschung zeigen, dass dieses System als Ladeinterferometer funktionieren kann. "Wenn [wir] den Draht in zwei Abschnitte teilen und eine Verdickung in der Mitte machen, dann können wir durch Änderung der Ladung dieser Verdickung mit dem Shutter eine periodische Modulation im Prozess des Tunneleffekts von magnetischen Quanten durch den Draht erzielen. Dies wird tatsächlich beobachtet."

Der Nachweis, dass der Effekt kontrollierbar und kohärent ist, ist ein wichtiger Punkt, und ebenso, dass mithilfe des Prozesses eine neue Generation von Qubits erstellt werden kann.

SQUID-Technologien finden bereits Anwendung in verschiedenen medizinischen Scannern wie der Magnetokardiographie und der Magnetoenzephalographie sowie in Geräten, die die Kernspinresonanz erfassen, und außerdem in geophysikalischen und paläogeologischen Methoden zur Erforschung der Erdoberfläche. Genau deshalb können fortschrittliche SQUID-Ladungen nicht nur in der Welt der Quantencomputer, sondern auch in der Gesellschaft selbst gravierende Veränderungen bewirken.

Für Professor Ustinov ist klar, dass Wissenschaftler im Zusammenhang mit der Erforschung neuer Qubits viele grundlegende Aufgaben zu bewältigen haben. Offensichtlich ist jedoch - da wir gerade beim Thema Qubits sind -, dass ihre Funktionalität gleichwertig, wenn nicht sogar besser als moderne Entsprechungen ist, sie aber viel einfacher herzustellen sind.

"Die wichtigste Frage ist, ob die gesamte Palette der Bestandteile der supraleitenden Elektronik auf diesem Prinzip aufgebaut werden kann. Gearbeitet wird dabei mit einem elektrischen Messgerät, das die Ladung auf der Insel des Supraleiters ermittelt. Die Fehlertoleranz ist dabei tausendmal kleiner als bei einer Elektronenladung. Wir können dies mit höchster Präzision steuern, da diese Ladung nicht quantisiert, sondern induziert wird. Meine Forschungsgruppe in Karlsruhe untersucht derzeit Qubits nach dem Prinzip des Phasenschlupfes. Die Kohärenzzeiten, die wir dafür erhalten, sind überraschend hoch. Bisher sind sie nicht größer als bei herkömmlichen Qubits, aber wir haben gerade erst mit der Arbeit an [dem Projekt] begonnen, und die Chancen stehen gut, dass sie größer werden. Ein weiteres wichtiges Problem sind beispielsweise Defekte in Qubits, für das wir kürzlich einen Zuschuss von Google erhalten haben. Diese Defekte treten in der dielektrischen Tunnelbarriere des Josephson-Übergangs auf. Defekte entstehen dadurch, dass in diesem Bereich große elektrische Felder vorhanden sind und die gesamte Spannung auf einer Skala von nur 2 nm liegt. Stellen wir uns nun vor, dass der gleiche Fall in einem homogenen Draht auftritt, und wir nicht genau wissen, wo in der homogenen "Unschärfe" im gesamten Supraleiter [er auftritt]. Die Felder, die hier entstehen, wären dann viel kleiner. Dies bedeutet, dass die Defekte in Qubit-Materialien höchstwahrscheinlich nicht auftreten werden und dass wir in der Lage sein werden, Qubits mit einer höheren Kohärenzzeit zu erhalten. Dies wird dazu beitragen, eines der Hauptprobleme von Qubits zu bewältigen - ihre kurze Quanten-"Lebenszeit", erklärt Professor Ustinov.

Quelle: http://en.misis.ru/university/news/science/2018-04/5318/