Quantencomputer rechnen mit sogenannten Quantenbits (Qubits). Diese können zum Beispiel mit supraleitenden Schaltkreisen realisiert werden, wie dies bei Googles neuestem Quantenchip der Fall ist. Forscher des ISTA in Klosterneuburg (NÖ) haben nun eine Art Dolmetsch entwickelt, mit dem sich die elektrischen Signale supraleitender Qubits mit Licht auslesen lassen. Mit dem im Fachblatt "Nature Physics" vorgestellten Prototyp könne man aktuelle Grenzen solcher Qubits überwinden.
Quantencomputer funktionieren grundlegend anders als klassische Rechner. Sie nutzen für ihre grundlegende Informationseinheit Qubit nicht nur 0 und 1 als Basis ihrer Berechnungen, sondern beide Zustände gleichzeitig (Superposition) bzw. Zwischenzustände davon. Das ermöglicht vollkommen andere Methoden zur Berechnung und Lösung von Problemen, an denen konventionelle Computer scheitern.
Supraleitende Schaltkreise haben auch Nachteile
Qubits können dabei auf unterschiedliche Weise realisiert werden, etwa mit Ionen, Atomen, Photonen oder supraleitenden Schaltkreisen. Bei letzteren werden winzige elektrische Schaltkreise auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (minus 273 Grad Celsius) gekühlt, wodurch der Strom widerstandslos fließen kann. Doch die supraleitenden Schaltkreise haben auch Nachteile.
Ihre Signale besitzen eine vergleichsweise geringe Bandbreite und können nur wenig Information übertragen, die zudem relativ leicht verloren geht. Außerdem gelangt durch die notwendige Verdrahtung viel Wärme ins System. Das Aufspüren und Messen von Qubits, in der Fachsprache "Auslesen" genannt, mittels elektrischer Signale erfordert daher eine aufwändige Kühlung und teure Komponenten, um das Signal zu filtern und zu verstärken, heißt es in einer Aussendung des Institute of Science and Technology Austria (ISTA) in Klosterneuburg (NÖ).
"Transducer" wandelt optische Lichtwellen in Mikrowellen um
Weil optische Signale mit höherer Energie, etwa bei Telekom-Wellenlängen im Infrarotbereich, wesentlich weniger Wärme erzeugen und viel höhere Bandbreite besitzen, wären sie ideal, um sie zum Auslesen supraleitender Qubits zu nutzen. Dazu musste das Team um Johannes Fink und Georg Arnold vom ISTA einen Weg zur Verständigung von optischen und elektrischen Signalen finden. Sie entwickelten dafür einen elektrooptischen Wandler, der optische Lichtwellen in Mikrowellen umwandelt.
Der Vorteil dieses "Transducers": Er übersetzt die optischen Signale in die für die Qubits verständliche "Sprache" der Mikrowellen. Als Antwort reflektieren sie wieder Mikrowellen, die vom elektrooptischen Wandler in ein optisches Signal übersetzt werden. Die ISTA-Forscherinnen und Forscher konnten damit zeigen, dass sie infrarotes Licht in die Nähe der Qubits schicken können, ohne dass diese dadurch ihre Supraleitfähigkeit verlieren.
Mehr Qubits möglich
Ihnen zufolge lässt sich mit der Technologie die Wärmebelastung bei der Messung supraleitender Qubits erheblich verringern. Dadurch könne man die Anzahl der Qubits für Quantencomputing erhöhen. Zudem ermögliche das optische Auslesen, den Aufbau von vielen schwerfälligen elektrischen Komponenten zu befreien, was das System nicht nur robuster und effizienter mache, sondern auch billiger.
Arnold räumt ein, dass die Leistung des Prototyps noch begrenzt ist. "Dennoch dient er als Grundsatzbeweis dafür, dass ein vollständig optisches Auslesen von supraleitenden Qubits überhaupt möglich ist", so der Experte, der nun die Industrie gefordert sieht, die Technik weiter voranzutreiben.
APA/red Foto: APA/APA/ISTA/Nadine Poncioni
