Quantenschaltkreise mit Licht verschalten

Quantencomputer versprechen, anspruchsvolle Aufgaben in der Materialwissenschaft und Kryptographie zu lösen, die selbst für die leistungsstärksten konventionellen Supercomputer in Zukunft unerreichbar bleiben. Aufgrund der erforderlichen Fehlerkorrektur werden hierfür jedoch wahrscheinlich Millionen hochwertiger Qubits erforderlich sein.

Der Fortschritt bei supraleitenden Prozessoren schreitet schnell voran, die Anzahl der Qubits liegt derzeit bei einigen Hundert. Die Vorteile dieser Technologie liegen in der hohen Rechengeschwindigkeit und ihrer Kompatibilität mit der Mikrochip-Herstellung, aber die Notwendigkeit extrem kalter Temperaturen schränkt letztendlich die Größe des Prozessors ein und verhindert jeglichen physischen Zugriff, sobald er abgekühlt ist.

Ein modularer Quantencomputer mit mehreren separat gekühlten Prozessorknoten könnte dieses Problem lösen. Allerdings sind einzelne Mikrowellenphotonen – die Lichtteilchen, die die natürlichen Informationsträger zwischen supraleitenden Qubits innerhalb der Prozessoren sind – nicht dafür geeignet, durch eine Raumtemperaturumgebung zwischen den Prozessoren geschickt zu werden. Die Welt bei Raumtemperatur ist voller Hitze, die die Mikrowellenphotonen und ihre fragilen Quanteneigenschaften wie die Verschränkung leicht stört.

Forscher der Fink-Gruppe am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) zeigten gemeinsam mit Mitarbeitern der TU Wien und der Technischen Universität München einen wichtigen technologischen Schritt zur Bewältigung dieser Herausforderungen. Sie verschränkten erstmals niederenergetische Mikrowellen mit hochenergetischen optischen Photonen.

Ein solcher verschränkter Quantenzustand zweier Photonen ist die Grundlage für die Verkabelung supraleitender Quantencomputer über Raumtemperaturverbindungen. Dies hat nicht nur Auswirkungen auf die Skalierung bestehender Quantenhardware, sondern ist auch erforderlich, um Verbindungen zu anderen Quantencomputerplattformen sowie für neuartige quantenverstärkte Fernerkundungsanwendungen zu realisieren. Ihre Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift veröffentlicht Wissenschaft.

Kühlt den Lärm ab

Rishabh Sahu, Postdoc in der Fink-Gruppe und einer der ersten Autoren der neuen Studie, erklärt: „Ein großes Problem für jedes Qubit ist Rauschen. Rauschen kann man sich als jede Störung des Qubits vorstellen. Eine Hauptquelle von Rauschen ist.“ die Wärme des Materials, auf dem das Qubit basiert.“

Hitze führt dazu, dass Atome in einem Material schnell herumgeschüttelt werden. Dies stört Quanteneigenschaften wie die Verschränkung und würde Qubits für die Berechnung unbrauchbar machen. Um funktionsfähig zu bleiben, müssen die Qubits eines Quantencomputers daher von der Umgebung isoliert, auf extrem niedrige Temperaturen gekühlt und in einem Vakuum gehalten werden, um ihre Quanteneigenschaften zu bewahren.

Bei supraleitenden Qubits geschieht dies in einem speziellen zylindrischen Gerät, das von der Decke hängt, einem sogenannten „Verdünnungskühlschrank“, in dem der „Quanten“-Teil der Berechnung stattfindet. Die Qubits ganz unten werden auf nur wenige Tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt – auf etwa -273 Grad Celsius. Sahu fügt aufgeregt hinzu: „Das macht diese Kühlschränke in unseren Laboren zu den kältesten Orten im gesamten Universum, sogar kälter als der Weltraum selbst.“

Der Kühlschrank muss die Qubits kontinuierlich kühlen, aber je mehr Qubits und zugehörige Steuerleitungen hinzugefügt werden, desto mehr Wärme wird erzeugt und desto schwieriger ist es, den Quantencomputer kühl zu halten. „Die wissenschaftliche Gemeinschaft geht davon aus, dass wir bei rund 1.000 supraleitenden Qubits in einem einzigen Quantencomputer an die Grenzen der Kühlung stoßen“, warnt Sahu. „Eine bloße Skalierung ist keine nachhaltige Lösung für den Bau leistungsfähigerer Quantencomputer.“

Fink fügt hinzu: „Größere Maschinen sind in der Entwicklung, aber jeder Zusammenbau und jede Abkühlung ist dann vergleichbar mit einem Raketenstart, bei dem man von Problemen erst erfährt, wenn der Prozessor kalt ist und keine Möglichkeit hat, einzugreifen und solche Probleme zu beheben.“

Quantenwellen

„Wenn ein Verdünnungskühlschrank nicht mehr als tausend supraleitende Qubits auf einmal ausreichend kühlen kann, müssen wir mehrere kleinere Quantencomputer miteinander verknüpfen, damit sie zusammenarbeiten“, erklärt Liu Qiu, Postdoc in der Fink-Gruppe und weiterer Erstautor der neuen Studie. „Wir bräuchten ein Quantennetzwerk.“

Die Verbindung zweier supraleitender Quantencomputer, von denen jeder über einen eigenen Verdünnungskühlschrank verfügt, ist nicht so einfach wie die Verbindung mit einem elektrischen Kabel. Die Verbindung muss besonders berücksichtigt werden, um die Quantennatur der Qubits zu bewahren.

Supraleitende Qubits arbeiten mit winzigen elektrischen Strömen, die sich in einem Stromkreis mit Frequenzen etwa zehn Milliarden Mal pro Sekunde hin und her bewegen. Sie interagieren mit Mikrowellenphotonen – Lichtteilchen. Ihre Frequenzen ähneln denen von Mobiltelefonen.

Das Problem besteht darin, dass selbst eine kleine Wärmemenge leicht einzelne Mikrowellenphotonen und ihre Quanteneigenschaften stören würde, die zum Verbinden der Qubits in zwei separaten Quantencomputern erforderlich sind. Wenn ein Kabel außerhalb des Kühlschranks verlegt wird, wird es aufgrund der Umgebungswärme unbrauchbar.

„Anstelle der rauschanfälligen Mikrowellenphotonen, die wir für die Berechnungen im Quantencomputer benötigen, wollen wir optische Photonen mit viel höheren Frequenzen ähnlich dem sichtbaren Licht verwenden, um Quantencomputer miteinander zu vernetzen“, erklärt Qiu. Bei diesen optischen Photonen handelt es sich um die gleiche Art, die über Glasfasern gesendet wird, die Hochgeschwindigkeitsinternet in unsere Häuser liefern. Diese Technologie ist gut verstanden und viel weniger anfällig für Lärm durch Hitze. Qiu fügt hinzu: „Die Herausforderung bestand darin, die Mikrowellenphotonen mit den optischen Photonen interagieren zu lassen und sie zu verschränken.“

Licht spalten

In ihrer neuen Studie verwendeten die Forscher ein spezielles elektrooptisches Gerät: einen optischen Resonator aus einem nichtlinearen Kristall, der seine optischen Eigenschaften in Gegenwart eines elektrischen Feldes ändert. Ein supraleitender Hohlraum beherbergt diesen Kristall und verstärkt diese Wechselwirkung.

Sahu und Qiu verwendeten einen Laser, um für den Bruchteil einer Mikrosekunde Milliarden optischer Photonen in den elektrooptischen Kristall zu schicken. Auf diese Weise spaltet sich ein optisches Photon in ein Paar neuer verschränkter Photonen auf: ein optisches Photon mit nur geringfügig weniger Energie als das ursprüngliche und ein Mikrowellenphoton mit viel geringerer Energie.

„Die Herausforderung dieses Experiments bestand darin, dass die optischen Photonen etwa 20.000 Mal mehr Energie haben als die Mikrowellenphotonen“, erklärt Sahu, „und sie bringen viel Energie und damit Wärme in das Gerät, die dann die Quanteneigenschaften der Mikrowelle zerstören kann.“ Photonen. Wir haben monatelang daran gearbeitet, das Experiment zu optimieren und die richtigen Messungen zu erhalten.“ Um dieses Problem zu lösen, bauten die Forscher im Vergleich zu früheren Versuchen ein sperrigeres supraleitendes Gerät. Dies vermeidet nicht nur einen Zusammenbruch der Supraleitung, sondern trägt auch dazu bei, das Gerät effektiver zu kühlen und während der kurzen Zeitspanne der optischen Laserpulse kalt zu halten.

„Der Durchbruch besteht darin, dass die beiden Photonen, die das Gerät verlassen – das optische und das Mikrowellenphoton – miteinander verschränkt sind“, erklärt Qiu. „Dies wurde durch die Messung von Korrelationen zwischen den Quantenfluktuationen der elektromagnetischen Felder der beiden Photonen bestätigt, die stärker sind, als mit der klassischen Physik erklärt werden kann.“

„Wir sind jetzt die ersten, die Photonen so unterschiedlicher Energieskalen verschränken.“ Fink sagt: „Dies ist ein wichtiger Schritt zur Schaffung eines Quantennetzwerks und auch für andere Quantentechnologien wie quantenverstärkte Sensorik nützlich.“