Supraleitende Quantenbits simultan auslesen

Quantencomputer könnten im übernächsten Jahrzehnt dank massiver Parallelverarbeitung bei Zahlenfresser-Algorithmen glänzen, bei denen heutige Supercomputer ihr Silizium zum Glühen brächten. Zunächst lag es nahe, Quantenbits (Qubits) in Kernspins zu codieren, die Frage ist nur, wie sich diese an konventionelle Digitalschaltungen koppeln lassen, besser wären makroskopische Qubits. Der bekannteste makroskopische Quanteneffekt ist die Supraleitung.

Supraleitende Quantenbits (Qubits) lassen sich in elektrischen Schaltkreisen verarbeiten. Ihr wichtigstes Bauelement sind Josephson-Tunnelübergänge. Im Gegensatz zu Ionen oder Atomen in Teilchenfallen sowie Kernspins lassen sich die supraleitenden Qubits mit konventioneller Elektronik einfacher koppeln, was im Hinblick auf das Auslesen und das Entwickeln von Gattern relevant wäre. Quantencomputer gleich welchen Prinzips werden im Kern aus verschränkten Qubits bestehen, die es schließlich auszulesen gilt.

Die Supraleitung ist eine nahe liegende Methode, makroskopische Qubits abzulegen. Eine auf diskrete Werte beschränkte Spannungsamplitude stellt hier die Qubits dar. Beide Qubits lesen die Forscher simultan aus, bislang gelang das nur nacheinander, was die Messungen jedoch verfälschte. (Bild: John M. Martinis, UCSB)

Amerikanische Wissenschaftler der Universität von Kalifornien in Santa Barbara haben zwei gekoppelte supraleitende Qubits simultan ausgelesen und ihre Ergebnisse in der Ausgabe vom 25. Februar 2005 der Zeitschrift Science in Band 307 auf Seite 1299 beschrieben; die Autoren stellen den Fachartikel auf ihrer Website zum Herunterladen bereit.

Die Qubits befinden sich in supraleitenden Josephson-Tunnelübergängen, durch die sie einen Strom schicken. Ein Josephson-Tunnelübergang besteht aus zwei supraleitenden Metallfilmen mit einem dünnen Isolator dazwischen. Der Tunnelstrom zwischen beiden Filmen hängt ab von der Phasendifferenz der Wellenfunktionen zwischen ihnen. In diesen Übergängen lässt sich eine Schwingung in Gang setzen, deren Spannungsamplitude von den Abmessungen des Bauelements abhängt – wie immer in der Quantenphysik kann diese Amplitude nur einige bestimmte Werte annehmen.

Dieses Prinzip heißt Phasen-Qubit, es gibt noch zwei weitere, nämlich Ladungs-Qubits, bei der ein einzelnes Elektronenpaar vorhanden sein kann oder eben nicht und Fluss-Qubits, hier kann ein Dauerstrom im Uhrzeiger- oder Gegenuhrzeigersinn umlaufen, siehe einen ausführlichen Übersichtsartikel desselben Forschers.