NUST MISIS: Neues Qubit funktioniert jetzt ohne Unterbrechungen

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Vorstellung eines universellen Designs für supraleitende Qubits.

Eine internationale Gruppe von Wissenschaftlern aus Russland,
Großbritannien und Deutschland hat ein alternatives Qubit-Design
präsentiert, mit dem ein Quantencomputer gebaut werden kann.
Nanodrähte aus Supraleitern sind die Hauptelemente des Designs. In
ersten Experimenten erwies sich der neue Supraleiter-Qubit als nicht
schlechter als der traditionelle, auf Josephson-Kontakten aufbauende
Supraleiter.

(Photo:
https://mma.prnewswire.com/media/676855/NUST_MISIS_New_Qubit.jpg )

Durch die Zusammenarbeit von Wissenschaftlern des russischen
Quantum Center und NUST MISIS in Russland, der University of London
und des National Physical Laboratory in Teddington in Großbritannien
sowie des Karlsruher Instituts für Technologie und des IPHT Jena in
Deutschland, sowie Beiträgen von MIPT und Skoltech (Russland), ist es
gelungen, ein grundlegend neues Qubit zu schaffen, das nicht auf dem
Josephson-Übergang basiert, der Lücken im Supraleiter hat, sondern
auf einem kontinuierlich supraleitenden Nanodraht. Die
Forschungsarbeit wurde in Nature Physics
(https://www.nature.com/articles/s41567-018-0097-9) veröffentlicht.

Wissenschaftler rechnen damit, dass Quantencomputer Meilensteine
erreichen werden. Der universelle Quantencomputer wurde zwar noch
nicht entwickelt, aber Wissenschaftler können mit Hilfe von Qubits
bereits chemische Verbindungen und Materialien entwerfen. Das
Berechnungsprinzip erlaubt es auf seiner Basis sogar, bereits heute
komplexe Probleme zu lösen. Viele wissenschaftliche Gruppen arbeiten
daher an der Verbesserung der einzelnen Bestandteile von
Quantencomputern. Die Erforschung und Verbesserung der Qubits, die
die wichtigsten Rechenzellen eines Quantencomputers darstellen, sind
der schwierigste Teil dieses Prozesses.

Es gibt mehrere Ansätze zur Erzeugung von Qubits. So gibt es
beispielsweise Qubits, die im optischen Bereich arbeiten. Sie sind
jedoch schwierig zu skalieren, im Gegensatz zu Qubits auf
Supraleitern, die im Funkbereich arbeiten und auf sogenannten
Josephson-Übergängen basieren. Jeder dieser Übergänge ist eine
Unterbrechung im Supraleiter, oder besser gesagt, eine dielektrische
Schicht, durch die Elektronen hindurchtunneln.

Das neue Qubit basiert auf dem Effekt des Quantenphasenschlupfes
(Quantum-Phase Slip, QPS) – dem kontrollierten periodischen Lösen und
Wiederherstellen der Supraleitung in ultradünnen (ca. 4 nm)
Nanodrähten, die im Normalzustand einen relativ großen Widerstand
aufweisen. Professor Oleg Astafiev, Leiter des Artifical Quantum
Systems Laboratory am MIPT in Russland und Forscher an der University
of London und dem National Physical Laboratory in Teddington
(Großbritannien), war der erste, der diesen Effekt, der zuvor
theoretisiert worden war, experimentell beobachtete. Seine
Pionierarbeit wurde 2012 in Nature veröffentlicht.

Professor Ustinov, einer der Forscher des Projekts, Leiter der
Forschungsgruppe RQC, Leiter des Labors für supraleitende
Metamaterialien am NUST MISIS und Professor am Karlsruher Institut
für Technologie (Deutschland), weist darauf hin, dass es Forschern
gelungen ist, eine neue Art von supraleitenden Bauelementen zu
entwickeln, die in vielerlei Hinsicht SQUID (Superconducting Quantum
Interference Device) ähnlich ist, einem hochempfindlichen
Magnetometer, das auf Josephson-Übergängen basiert.

Die Störung in dem neuen Gerät wird durch ein elektrisches Feld
(anstelle eines Magnetfeldes) verursacht, das die elektrische Ladung
auf der Insel zwischen den beiden Nanodrähten verändert. Diese Drähte
füllen die Rolle der Josephson-Kontakte, und – was noch besser ist –
sie erfordern keine Unterbrechung und können aus einer einzigen
Schicht eines Supraleiters hergestellt werden.

Laut Professor Ustinov konnte das internationale Team während der
Forschung zeigen, dass dieses System als Ladeinterferometer
funktionieren kann. “Wenn [wir] den Draht in zwei Abschnitte teilen
und eine Verdickung in der Mitte machen, dann können wir durch
Änderung der Ladung dieser Verdickung mit dem Shutter eine
periodische Modulation im Prozess des Tunneleffekts von magnetischen
Quanten durch den Draht erzielen. Dies wird tatsächlich beobachtet.”

Der Nachweis, dass der Effekt kontrollierbar und kohärent ist, ist
ein wichtiger Punkt, und ebenso, dass mithilfe des Prozesses eine
neue Generation von Qubits erstellt werden kann.

SQUID-Technologien finden bereits Anwendung in verschiedenen
medizinischen Scannern wie der Magnetokardiographie und der
Magnetoenzephalographie sowie in Geräten, die die Kernspinresonanz
erfassen, und außerdem in geophysikalischen und paläogeologischen
Methoden zur Erforschung der Erdoberfläche. Genau deshalb können
fortschrittliche SQUID-Ladungen nicht nur in der Welt der
Quantencomputer, sondern auch in der Gesellschaft selbst gravierende
Veränderungen bewirken.

Für Professor Ustinov ist klar, dass Wissenschaftler im
Zusammenhang mit der Erforschung neuer Qubits viele grundlegende
Aufgaben zu bewältigen haben. Offensichtlich ist jedoch – da wir
gerade beim Thema Qubits sind -, dass ihre Funktionalität
gleichwertig, wenn nicht sogar besser als moderne Entsprechungen ist,
sie aber viel einfacher herzustellen sind.

“Die wichtigste Frage ist, ob die gesamte Palette der Bestandteile
der supraleitenden Elektronik auf diesem Prinzip aufgebaut werden
kann. Gearbeitet wird dabei mit einem elektrischen Messgerät, das die
Ladung auf der Insel des Supraleiters ermittelt. Die Fehlertoleranz
ist dabei tausendmal kleiner als bei einer Elektronenladung. Wir
können dies mit höchster Präzision steuern, da diese Ladung nicht
quantisiert, sondern induziert wird. Meine Forschungsgruppe in
Karlsruhe untersucht derzeit Qubits nach dem Prinzip des
Phasenschlupfes. Die Kohärenzzeiten, die wir dafür erhalten, sind
überraschend hoch. Bisher sind sie nicht größer als bei herkömmlichen
Qubits, aber wir haben gerade erst mit der Arbeit an [dem Projekt]
begonnen, und die Chancen stehen gut, dass sie größer werden. Ein
weiteres wichtiges Problem sind beispielsweise Defekte in Qubits, für
das wir kürzlich einen Zuschuss von Google erhalten haben. Diese
Defekte treten in der dielektrischen Tunnelbarriere des
Josephson-Übergangs auf. Defekte entstehen dadurch, dass in diesem
Bereich große elektrische Felder vorhanden sind und die gesamte
Spannung auf einer Skala von nur 2 nm liegt. Stellen wir uns nun vor,
dass der gleiche Fall in einem homogenen Draht auftritt, und wir
nicht genau wissen, wo in der homogenen “Unschärfe” im gesamten
Supraleiter [er auftritt]. Die Felder, die hier entstehen, wären dann
viel kleiner. Dies bedeutet, dass die Defekte in Qubit-Materialien
höchstwahrscheinlich nicht auftreten werden und dass wir in der Lage
sein werden, Qubits mit einer höheren Kohärenzzeit zu erhalten.
Dies wird dazu beitragen, eines der Hauptprobleme von Qubits zu
bewältigen – ihre kurze Quanten-“Lebenszeit”, erklärt Professor
Ustinov.

Quelle: http://en.misis.ru/university/news/science/2018-04/5318/

Pressekontakt:
Dina Moiseeva
d.moiseeva@misis.ru
+7-903-363-0573

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