Ein internationales Team von Wissenschaftlern aus Russland, Großbritannien und Deutschland hat ein alternatives Qubit-Design demonstriert, mit dem ein Quantencomputer gebaut werden kann. Das Hauptelement dieses Entwurfs sind Supraleiter-Nanodrähte. Bereits in den ersten Experimenten erwies sich ein neues supraleitendes Qubit als nicht schlechter als herkömmliche Qubits, die auf Josephson-Übergängen aufgebaut waren.
Schema und Zeichnung eines neuen Qubits Durch die Zusammenarbeit von Wissenschaftlern des Russian Quantum Centre und von NUST MISiS (Russland), der University of London und des National Physical Laboratory in Teddington (Großbritannien), der Universität Karlsruhe und des Instituts für Photonentechnologien (Deutschland) sowie des Moskauer Instituts für Physik und Technologie und Skoltech (Russland) gelang es, ein grundlegend neues Qubit zu schaffen basiert nicht auf dem Josephson-Übergang, der eine Diskontinuität in einem Supraleiter darstellt, sondern auf einem kontinuierlichen supraleitenden Nanodraht. Forscher
veröffentlicht in Nature Physics.
Wissenschaftler sagen einem Quantencomputer große Erfolge voraus. Das in seiner Grundlage festgelegte Berechnungsprinzip ermöglicht bereits jetzt die Lösung äußerst komplexer Probleme. Obwohl ein universeller Quantencomputer selbst noch nicht geschaffen wurde, können Forscher bereits chemische Verbindungen und Materialien mit Qubits simulieren. Daher arbeiten viele wissenschaftliche Gruppen daran, die Elemente eines Quantencomputers zu verbessern. Es wird besonders hart daran gearbeitet, die Hauptrechnerzelle eines Quantencomputers - Qubit - zu untersuchen und zu verbessern.
Es gibt verschiedene Ansätze zum Erstellen von Qubits. Beispielsweise werden Qubits erzeugt, die im optischen Bereich arbeiten. Sie sind jedoch schwer zu skalieren, im Gegensatz zu Qubits an Supraleitern, die im Funkbereich arbeiten und auf den sogenannten Josephson-Übergängen basieren. Jeder solche Übergang ist ein Bruch eines Supraleiters oder vielmehr einer dielektrischen Schicht, durch die Elektronen tunneln.
Das neue Qubit basiert auf dem Effekt der durch Quantenphasenschlupf kontrollierten periodischen Zerstörung und Wiederherstellung der Supraleitung in einem ultradünnen (etwa 4 nm dicken) Nanodraht, der im Normalzustand einen ziemlich hohen Widerstand aufweist. Zum ersten Mal wurde dieser theoretisch vorhergesagte Effekt vom Leiter dieser Arbeit, Oleg Astafyev, experimentell beobachtet. Heute ist er Leiter des Labors für künstliche Quantensysteme am MIPT in Russland und Professor an der University of London und des National Physical Laboratory in Teddington in Großbritannien. Seine Pionierarbeit wurde 2012 in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
Professor Alexey UstinovLaut einem der Autoren der neuen Arbeit, Alexey Ustinov, der eine RCC-Gruppe in Russland leitet und das Labor für supraleitende Metamaterialien des NITU MISiS leitet und Professor am Karlsruher Institut für Technologie in Deutschland ist, ist es nun gelungen, einen neuen Typ supraleitender Geräte zu entwickeln, der SQUID (SQUID) sehr ähnlich ist. Supraleitendes Quanteninterferenzgerät - „supraleitendes Quanteninterferometer“, ein supersensitives Magnetometer, das auf Josephson-Übergängen basiert). Nur anstelle eines Magnetfelds wird eine Störung in einem neuen Gerät durch ein elektrisches Feld verursacht, das die elektrische Ladung auf einer Insel zwischen zwei Nanodrähten ändert. Diese Drähte spielen die Rolle von Josephson-Übergängen in der Vorrichtung, während sie keine Erzeugung von Diskontinuitäten erfordern und aus einer Schicht eines Supraleiters bestehen können. Wie Alexey Ustinov feststellte, konnten wir in dieser Arbeit zeigen, dass dieses System als Ladungsinterferometer arbeiten kann. "Wenn Sie den Draht in zwei Abschnitte teilen, eine Verdickung in der Mitte vornehmen und dann die Ladung der Verdickung durch den Verschluss ändern, können Sie den in dieser Arbeit beobachteten Prozess des Quantentunnelns magnetischer Quanten durch den Draht periodisch modulieren." Dies ist ein wichtiger Punkt, der beweist, dass der Effekt kontrollierbar und kohärent ist und dass damit Qubits der neuen Generation erstellt werden können.
SQUID-Technologien haben bereits ihre Anwendung in einer Reihe von medizinischen Abtastgeräten wie Magnetokardiographen und Magnetenzephalographen, in Geräten zur Erfassung der Kernspinresonanz sowie in geophysikalischen und paläogeologischen Methoden der Gesteinserkundung gefunden. Daher ist es möglich, dass SQUIDs mit doppelter Ladung nicht nur in der Welt der Quantencomputer gravierende Veränderungen verursachen können.
Laut Professor Ustinov stehen Wissenschaftler immer noch vor vielen grundlegenden Aufgaben im Zusammenhang mit der Untersuchung der Arbeit eines neuen Qubits. Es ist jedoch jetzt klar, dass es sich um Qubits handelt, die nicht weniger (und möglicherweise mehr) Funktionen haben, aber viel einfacher herzustellen sind. „Die Hauptintrige ist nun, ob es möglich ist, auf diesem Prinzip alle Elemente der supraleitenden Elektronik aufzubauen. - bemerkte Professor Ustinov. - Das Gerät, das wir erhalten haben, ist im Prinzip ein Elektrometer und misst die auf der Insel eines Supraleiters induzierte Ladung mit einem Fehler, der tausendmal kleiner ist als die Ladung eines Elektrons. Wir können es mit höchster Genauigkeit steuern, da diese Ladung nicht quantisiert, sondern induziert wird. “
„Jetzt studieren wir in meiner Gruppe in Karlsruhe Qubits nach dem Prinzip des Phasenschlupfes, und die Kohärenzzeiten, die wir damit erreichen, sind überraschend hoch. - sagt Professor Ustinov. - Bisher sind sie nicht viel größer als bei normalen Qubits, aber wir haben gerade erst angefangen zu arbeiten, und es besteht die Möglichkeit, dass sie groß werden. Zum Beispiel gibt es immer noch ein wichtiges Thema für Defekte bei Qubits - wir haben kürzlich einen Zuschuss von Google erhalten - diese Defekte treten im Dielektrikum in der Tunnelbarriere des Josephson-Übergangs auf. Defekte werden durch die Tatsache angeregt, dass in dieser Zone große elektrische Felder vorhanden sind, praktisch alle Spannungsabfälle auf einer Skala von 2 nm. Wenn wir uns vorstellen, dass der gleiche Tropfen in einem homogenen Draht auftritt und nicht bekannt ist, wo bei einer gleichmäßigen „Unschärfe“ im gesamten Supraleiter die hier auftretenden Felder viel kleiner sind. Dies bedeutet, dass Defekte, die sich höchstwahrscheinlich im Material des Qubits befinden, hier nicht auftreten. Und dies bedeutet, dass wir Qubits mit einer höheren Kohärenzzeit erhalten können, was dazu beitragen wird, eines der Hauptprobleme von Qubits zu bewältigen - nicht zu lange Zeit ihres Quantenlebens.