Quantenbits für die Computer der Zukunft

Multifunktionale Quantenbits fuer die Computer der Zukunft

Heutige Computer führen einen Rechenschritt nach dem anderen aus – künftig sollen Quantencomputer viele Rechenschritte parallel vornehmen. Sie könnten enorme Datenmengen viel schneller verarbeiten. Entscheidend dafür ist die Mikrostruktur bestimmter Materialien und Elemente der Quantenbits. Mit diesen Materialien beschäftigen sich momentan Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). 

Der kleinste Speicherbaustein des Quantencomputerchips ist der Quantenbit oder Qubit.  Im Unterschied zum klassischen Computerchip gibt es darin nicht nur binäre Informationen sondern auch Werte dazwischen – die quantenmechanischen Überlagerungszustände. Das soll die Rechenleistung eines Quantencomputers deutlich erhöhen, denn mithilfe dieser Quanteneigenschaften können viele Rechenprozesse gleichzeitig ablaufen.

„Ein vielversprechender Ansatz für die kommende Generation von Quantencomputern beruht auf Materialien, bei denen einzelne Systeme nicht größer als ein Atom sind und deren Quanteneigenschaften optisch zugänglich und kontrollierbar sind“, erläutert Professor David Hunger vom Physikalischen Institut des KIT, der das Projekt SQUARE koordiniert.

Ein solches Material könnten Seltenerd-Ionen (Rare Earth Ions) sein, elektrisch geladene Atome von Metallen der Seltenen Erden. Die Ionen können Quantenzustände besonders lange speichern und lassen sich in speziellen Festkörperkristallen durch Licht einzeln ansprechen. Das macht eine große Anzahl von Ionen als Qubits zugänglich.

Seltenerd-Ionen haben großes Potenzial

„Seltenerd-Ionen verfügen durch ihre besondere elektronische Struktur über ihre eigene Abschirmung gegenüber Störfeldern“, sagt Hunger. „Zudem können sie untereinander in starke Wechselwirkung treten, was eine wichtige Grundlage für die Realisierung von Quantenschaltkreisen ist.“

Die Quanteneigenschaften können direkt durch Licht ausgelesen und Quantenzustände auf Photonen übertragen werden. Dadurch können entfernte Quantenknoten vernetzt und zur Quantenkommunikation genutzt werden.

Die Forschung an einzelnen Seltenerd-Ionen ist noch in einem frühen Stadium, aber „das Projekt verfolgt eine sehr vielversprechende Plattform, die viele Vorteile gegenüber etablierten Ansätzen, wie zum Beispiel in Vakuumapparaten gefangenen Ionen und supraleitenden Quantenschaltkreisen, bieten kann“, so David Hunger.

Das Ziel von SQUARE ist es, einzeln adressierbare Seltenerd-Ionen als Grundbaustein für skalierbare Quantentechnologien zu etablieren. Insbesondere sollen die Forscher die Funktionselemente eines optisch auslesbaren Mehrqubit-Quantenregisters demonstrieren und Bausteine eines Quantennetzwerks realisieren. Damit soll künftig eine enorme Steigerung der Rechenleistung in Quantencomputern möglich sein. Zusammen mit Industriepartnern wollen die Forscher die zentralen technologischen Komponenten entwickeln, die für eine skalierbare Implementierung erforderlich sind.

Die Europäische Kommission fördert SQUARE im Rahmen des Quanten-Flaggschiffs („Quantum Technology Flagship“), in das über einen Zeitraum von zehn Jahren rund eine Milliarde Euro an Fördergeldern zur Erforschung von Quantentechnologien investiert werden sollen.

Bild: Mit Laserlicht lassen sich Quantenregister optisch auslesen, die auf Spinzuständen einzelner Seltenerd-Ionen in einer kristallinen Membran basieren. (Foto: Thomas Hümmer)