Das Gerät besteht aus einem Saphirchip mit einem supraleitenden Qubit, das über einem weiteren Qubit positioniert ist, das als mechanischer Oszillator fungiert.
Credit: Uwe Von Luepke/ETH Zürich
Der Durchbruch basiert auf einer wohlüberlegten Struktur. Das Gerät kombiniert zwei verschiedene Elemente: ein supraleitendes Qubit und einen mechanischen Resonator, die beide auf Saphirchips montiert sind. Der mechanische Resonator fungiert als piezoelektrische Scheibe, die die Schwingungen durch ihre physische Robustheit stabilisiert – ein entscheidender Punkt angesichts der Instabilität klassischer Qubits.
Ein Qubit zeichnet sich durch die Fähigkeit aus, in mehreren Zuständen gleichzeitig zu existieren. In dieser Studie haben die Forscher eine Membran entwickelt, die einer Trommelhaut ähnelt. Diese Membran kann Informationen in drei Zuständen speichern: einem stationären Zustand, einem vibrierenden Zustand oder einer Überlagerung beider. Diese Anordnung ermöglicht eine langlebigere Speicherung der Informationen.
Traditionelle Qubits, die oft auf elektromagnetischen Feldern basieren, sind sehr kurzlebig und zerfallen innerhalb eines Sekundenbruchteils. Dieses neue mechanische Qubit überwindet diese Einschränkung, indem es deutlich längere Kohärenzzeiten bietet. Dies wurde durch ein sorgfältig ausgewähltes supraleitendes Material und eine innovative Fertigungstechnik erreicht.
Bei Tests zeigten die Leistungen dieses mechanischen Qubits bessere Ergebnisse als hybride oder virtuelle Qubits. Die Forscher weisen darauf hin, dass die Kohärenzzeiten stark von den verwendeten Materialien abhängen, ein Parameter, den sie in zukünftigen Studien weiter verbessern möchten.
Illustration der resonanten Wechselwirkungsmessungen und der damit verbundenen Schwingungszustände.
Credit: Science (2024). DOI: 10.1126/science.adr2464
Diese Forschung eröffnet auch Perspektiven im Bereich des funktionalen Quantencomputings. Das Team plant, ihre Qubits mit Quantenlogikgattern zu testen, um deren Effizienz in komplexen Architekturen zu bewerten. Ein besseres Verständnis der Wechselwirkungen zwischen diesen Komponenten könnte die Entwicklung funktionsfähiger Quantencomputer beschleunigen.
Dieser Ansatz stellt sowohl auf theoretischer als auch technologischer Ebene einen wichtigen Fortschritt dar. Geräte, die mechanische Eigenschaften nutzen, könnten bald ihre virtuellen Gegenstücke übertreffen und den Weg zu zuverlässigeren und leistungsfähigeren Quantencomputern ebnen.
Was ist ein Qubit?
Ein Qubit oder Quantenspeicherbit ist die Grundeinheit der Information in einem Quantencomputer. Im Gegensatz zu einem klassischen Bit, das entweder den Wert 0 oder 1 annehmen kann, kann ein Qubit in einer Überlagerung beider Zustände gleichzeitig existieren.
Diese Überlagerung ist dank der Prinzipien der Quantenmechanik, insbesondere des Superpositionsprinzips, möglich. Dadurch können Qubits wesentlich mehr Informationen verarbeiten und speichern als klassische Bits.
Qubits werden in der Regel aus subatomaren Teilchen wie Elektronen oder Photonen hergestellt oder durch künstliche Systeme wie supraleitende Schaltkreise realisiert.
Durch die Kombination mehrerer Qubits können Quantencomputer komplexe Probleme viel schneller lösen als traditionelle Computer und neue Perspektiven in den Bereichen Kryptographie, Chemie und künstliche Intelligenz eröffnen.