„Princetons neuer Quantensprung: Revolutionärer Chip zeigt Weg zur Quantenüberlegenheit“

Die Entwicklung neuer Technologien im Bereich der Quanteninformatik schreitet kontinuierlich voran. Ein bemerkenswerter Fortschritt ist der jüngste Erfolg von Ingenieuren der Princeton University, die einen supraleitenden Qubit entwickelt haben, der dreimal länger stabil bleibt als die bisher besten verfügbaren Designs. Diese Verbesserung könnte ein entscheidender Schritt auf dem Weg zu funktionsfähigen Quantencomputern sein. Professor Andrew Houck, der an der Spitze dieses Forschungsprojekts steht, betont die Bedeutung dieser Entwicklung: Die lange Lebensdauer der Qubits ist entscheidend für die praktische Anwendbarkeit von Quantencomputern, da sie die Zeitspanne verlängert, in der komplexe Berechnungen durchgeführt werden können, bevor die Information verloren geht.

Die Bedeutung verbesserter Qubits für die Quanteninformatik

Quantencomputer gelten als vielversprechend für die Lösung von Problemen, die mit traditionellen Computern nicht zu bewältigen sind. Das Hauptproblem liegt jedoch darin, dass die Qubits ihre Informationen verlieren, bevor komplexe Berechnungen abgeschlossen werden können. Daher ist die Verlängerung der Kohärenzzeit essenziell für den Bau praktischer Quantenhardware. Die jüngste Verbesserung der Kohärenzzeit durch das Princeton-Team stellt den größten Fortschritt in den letzten zehn Jahren dar.

Zahlreiche Labore weltweit erforschen unterschiedliche Qubit-Technologien. Princetons Design baut auf dem weit verbreiteten Transmon-Qubit auf. Transmons sind bekannt für ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber externen Störungen und ihre Kompatibilität mit modernen Fertigungstechniken. Die Herausforderung besteht darin, die Kohärenzzeit dieser Qubits signifikant zu erhöhen. Jüngste Ergebnisse von Google zeigten, dass Materialdefekte die Hauptbarriere bei der Verbesserung ihrer neuesten Prozessoren darstellen.

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Tantal und Silizium: Eine neue Materialstrategie

Das Princeton-Team hat eine zweigleisige Strategie entwickelt, um die Materialprobleme zu lösen. Zum einen wurde Tantal verwendet, ein Metall, das empfindlichen Schaltungen beim Erhalt von Energie hilft. Zum anderen ersetzten sie das Standard-Saphir-Substrat durch hochreines Silizium, ein Material, das in der Computerindustrie weit verbreitet ist. Die direkte Verbindung von Tantal und Silizium stellte technische Herausforderungen dar, die die Forscher jedoch erfolgreich meisterten.

Nathalie de Leon, Co-Direktorin von Princetons Quantum Initiative, betont, dass das Design nicht nur leistungsfähiger ist, sondern sich auch leichter in großem Maßstab herstellen lässt. Die Zusammenarbeit mit Google Quantum AI, die teilweise die Finanzierung bereitstellte, unterstreicht die Bedeutung dieser Entwicklung. Michel Devoret, ein führender Wissenschaftler bei Google Quantum AI, beschreibt die Herausforderungen bei der Verlängerung der Lebensdauer von Quantenkreisen als ein „Friedhof“ gescheiterter Lösungen.

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Wie Tantal die Stabilität von Qubits verbessert

Professor Houck erklärt, dass die Leistungsfähigkeit eines Quantencomputers von zwei Hauptfaktoren abhängt: der Gesamtanzahl der miteinander verbundenen Qubits und der Anzahl der Operationen, die jedes Qubit ausführen kann, bevor Fehler auftreten. Energieverluste sind die häufigste Ursache für Ausfälle in diesen Systemen. Mikroskopische Oberflächendefekte im Metall können Energie einfangen und das Qubit bei Berechnungen stören.

Tantal ist besonders vorteilhaft, da es in der Regel weniger dieser Defekte aufweist als Metalle wie Aluminium. Mit weniger Defekten produziert das System weniger Fehler und vereinfacht den Prozess der Korrektur der verbleibenden Fehler. Die Forscher haben Tantal erstmals 2021 in supraleitenden Chips eingeführt, unterstützt von Princeton-Chemiker Robert Cava.

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Siliziumbasierte Designs unterstützen das Wachstum der Industrie

Das Projekt vereint drei Fachgebiete: Die Gruppe von Houck konzentriert sich auf die Gestaltung und Optimierung supraleitender Schaltungen, während de Leons Labor sich auf Quantendetektion sowie die Materialien und Fertigungsmethoden spezialisiert, die die Leistungsfähigkeit von Qubits bestimmen. Die Gruppe von Cava entwickelt seit Jahrzehnten supraleitende Materialien.

Diese Zusammenarbeit hat bereits Aufmerksamkeit in der Quantenindustrie erregt. Devoret betont die Bedeutung von Kooperationen zwischen Universitäten und Unternehmen, um fortschrittliche Technologien voranzubringen. Universitäten können die grundlegenden Grenzen der Quantenleistung untersuchen, während Industriepartner diese Erkenntnisse auf Großsysteme anwenden.

Die Fortschritte in der Quanteninformatik sind beeindruckend, und die Entwicklung stabilerer Qubits könnte die Grundlage für zukünftige Durchbrüche in der Technologie sein. Doch welche anderen Innovationen sind nötig, um das volle Potenzial von Quantencomputern zu entfalten und wie wird sich dies auf die digitale Landschaft auswirken?