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Quantencomputer werden künftig hochkomplexe Aufgaben übernehmen können. Bei supraleitenden Quantenrechnern war es bisher allerdings schwierig, das Ergebnis eines Experiments auszulesen. Denn die Messungen können zu störenden Quantenübergängen führen. Forschende des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der Université de Sherbrooke in Québec haben nun das Verständnis dieser Vorgänge experimentell vertieft und gezeigt, dass eine Kalibrierung der Ladung an den Qubits zur Fehlervermeidung beiträgt. Sie berichten in der Zeitschrift Physical Review Letters. (DOI: 10.1103/yljv-b4kj)
Quantencomputer besitzen großes Potenzial, den Herausforderungen der Zukunft zu begegnen. Dazu gehört beispielsweise die Entwicklung neuer Materialien mit genau definierten Eigenschaften. Quantenprozessoren arbeiten mit Qubits, die nicht nur die Zustände Null oder Eins, sondern beide gleichzeitig annehmen können. Zudem lassen sich Qubits miteinander verschränken. Dies ermöglicht bisher ungekannte Rechenleistungen. Daher eignen sich Quantencomputer besonders gut für hochkomplexe Aufgaben, wie Kryptographie oder Simulationen für Natur- und Ingenieurwissenschaften. Qubits lassen sich unter anderem aus Transmons bauen – das sind künstliche Atome, die aus winzigen Schaltkreisen bestehen. Diese sind supraleitend, das heißt, sie weisen bei tiefen Temperaturen keinen elektrischen Widerstand auf. Derzeit sind Transmons die stabilsten supraleitenden Qubits. Sie lassen sich einfach fertigen und gut steuern.
Qubit kann bei Messungen in unerwünschte Zustände ausbrechen
Bei der Skalierung von auf supraleitenden Qubits, speziell Transmons, basierenden Quantencomputern war es bisher allerdings schwierig, das Ergebnis eines Experiments zuverlässig auszulesen, ohne den Quantenzustand zu stören. Beim Auslesen werden viele Mikrowellen-Photonen in einen Resonator geschickt. Dabei kann es dazu kommen, dass das Qubit in höhere Energiezustände springt. Dieser Prozess, der sich mit der Ionisierung eines Atoms unter starkem Licht vergleichen lässt, macht die Messung unzuverlässig. „Wenn wir verstehen, bei welchen Photonenzahlen im Resonator und bei welcher Ladung am Transmon das Qubit in unerwünschte Zustände ausbricht, können wir die Messprozedur optimieren, beispielsweise durch gezielte Wahl der Betriebsparameter oder Stabilisierung der Ladung“, erklärt Professor Ioan M. Pop, der am Institut für QuantenMaterialien und Technologien (IQMT) des KIT die Forschung zu Quanten-Computing leitet.
Forschende am IQMT und am Physikalischen Institut (PHI) des KIT sowie an der Université de Sherbrooke in Québec in Kanada haben nun in einer gemeinsamen Studie das Verständnis der Messrückwirkung in supraleitenden Qubits anhand von Experimenten vertieft und praktische Strategien für eine zuverlässigere Quantenauslesung erarbeitet. „Eine wesentliche Schwierigkeit bei der Untersuchung der durch Messungen ausgelösten Quantenübergänge ist das Vorhandensein von Ladungsschwankungen im Schaltkreis, ein allgegenwärtiges Problem für alle Festkörperplattformen“, erläutert Dr. Mathieu Féchant, der am IQMT zu Quanten-Computing forscht. „In dieser Arbeit überwachen und kalibrieren wir diesen Parameter wiederholt neu, während wir die Auslesestärke variieren.“
Ergebnisse der Experimente stimmen mit theoretischen Modellen überein
Die Ergebnisse der Experimente stimmen mit kürzlich vorgeschlagenen theoretischen Modellen überein und bestätigen das Verständnis von der zugrunde liegenden Physik. Die Forschenden zeigen auch, dass sich durch aktive Kalibrierung der Ladung an den Transmons die Auslesung in Photonenzahl-Bereichen betreiben lässt, in denen die störenden Quantenübergange verringert werden. Langfristig trägt die Studie dazu bei, Fehler beim Auslesen zu vermeiden und dadurch supraleitende Quantencomputer zuverlässiger zu machen.
Originalpublikation:
Mathieu Féchant, Marie Frédérique Dumas, Denis Bénâtre, Nicolas Gosling, Philipp Lenhard, Martin Spiecker, Simon Geisert, Sören Ihssen, Wolfgang Wernsdorfer, Benjamin D’Anjou, Alexandre Blais, and Ioan M. Pop: Offset Charge Dependence of Measurement-Induced Transitions in Transmons. Physical Review Letters, 2025. DOI: 10.1103/yljv-b4kj
Im Dialog mit der Gesellschaft entwickelt das KIT Lösungen für große Herausforderungen – von Klimawandel, Energiewende und nachhaltigem Umgang mit natürlichen Ressourcen bis hin zu Künstlicher Intelligenz, technologischer Souveränität und demografischem Wandel. Als Die Universität in der Helmholtz-Gemeinschaft vereint das KIT wissenschaftliche Exzellenz vom Erkenntnisgewinn bis zur Anwendungsorientierung unter einem Dach – und ist damit in einer einzigartigen Position, diese Transformation voranzutreiben. Damit bietet das KIT als Exzellenzuniversität seinen mehr als 10 000 Mitarbeitenden sowie seinen 22 800 Studierenden herausragende Möglichkeiten, eine nachhaltige und resiliente Zukunft zu gestalten. KIT – Science for Impact.
Dr. Joachim Hoffmann, Pressereferent, Tel.: +49 721 608-41151, E-Mail: joachim.hoffmann@kit.edu
DOI: 10.1103/yljv-b4kj
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/yljv-b4kj
Forschende des KIT wollen Quantencomputer zuverlässiger machen. Sie untersuchen, wie Messungen Qubit ...
Source: Amadeus Bramsiepe
Copyright: Amadeus Bramsiepe, KIT
Criteria of this press release:
Journalists
Information technology, Materials sciences, Physics / astronomy
transregional, national
Research results, Scientific Publications
German
Forschende des KIT wollen Quantencomputer zuverlässiger machen. Sie untersuchen, wie Messungen Qubit ...
Source: Amadeus Bramsiepe
Copyright: Amadeus Bramsiepe, KIT
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