Rekord: Quantencomputer überwinden die Grenze von 1000 atomaren Qubits

Deutschen Physiker:innen ist es gelungen, erstmals einen Quantenprozessor mit mehr als 1.000 atomaren Qubits in einer Ebene zu konstruieren. Damit stellen sie einen neuen Rekord für atombasierte Quantencomputer auf. Möglich wurde dies durch eine neue Methode, bei der die bisher existierenden Beschränkungen der Laserleistung überwindet wurden. In Zukunft könnten auch noch leistungsstärkere Quantencomputer auf Basis ultrakalter Atome konstruiert werden.

Optische Laserpinzetten aus mehreren Lasern

Quantencomputer werden wahrscheinlich eines Tages die klassischen Computer ablösen. Allerdings ist umstritten, welche Quantentechnologie sich durchsetzen wird und am besten skalierbar ist. Um die volle Leistung und Einsatzbreite erreichen zu können, muss eine Mindestanzahl an Qubits vorhanden sein. IBM gelang es kürzlich, einen Quantencomputer mit mehr als 1000 Qubits aus supraleitenden Ladungspunkten zu konstruieren.

Eine weitere vielversprechende Technologie im Bereich der Quantencomputer sind Qubits aus Atomen oder Ionen. Diese werden durch Laserpinzetten in einem optischen Gitter platziert und dort in Position gehalten. Die benötigte Laserleistung ist allerdings sehr hoch. „Die Zahl der ausreichend tiefen Fallenplätze für die Atome ist proportional zur verfügbaren Laserleistung„, schreibt ein Team rund um Lars Pause von der TU Darmstadt.

Die optischen Atomfallen benötigen kohärente, koordinierte Laserstrahlen. Bisher mussten diese aus dem selben Laser stammen, was die Anzahl atomarer Qubits in einem Quantenprozessoren bisher auf ein Maximum von einigen hundert Qubits beschränkte. Das Team der TU Darmstadt hat allerdings eine Technik entwickelt, bei der die optischen Atomfallen auch von verschiedenen Lasern erzeugt werden.

Mehr als 1000 atomare Qubits

Die neue Technologie konnten die Forscher:innen einsetzen, um den weltweit ersten Quantencomputer mit mehr als 1.000 atomaren Qubits zu bauen. Dafür verknüpften sie zwei Laserpinzettenfelder miteinander und erreichten so eine Anzahl von 1.305 Qubits aus ultrakalten Rubidiumatomen,. die 441 rechenfähige Quantenbitcluster bilden. Diese neue Architektur erlaubt es, die Zahl der Qubits quasi proportional zur Zahl der kombinierten Pinzettenfelder zu erhöhen, was atomare Quantencomputer nun modular skalierbar macht.

Der Schlüssel zum Erfolg war der Einsatz spezieller optischer Linsensysteme, bei denen ein Satz Mikrolinsen aus dem ersten Laserstrahl ein Gitter aus Laserpunkten erzeugt. Diese dienen als optische Fälle. Ein zweiter Laser wird dann unter Einsatz eines speziellen Strahlteilers ziwschen zwei der Mikrolinsen im Ausgangsstrahl eingespeist. Dieser zweite Laserstrahl erzeugt dann ein zweites Feld optischer Atomfallen. Beide Fallenfelder können dabei in einer Ebene überlagert werden. „Indem wir zwei unabhängig voneinander erzeugte Arrays miteinander kombiniert haben, konnten wir mehr als 3.000 Fallenplätze in einer Ebene erzeugen„, so die Physiker:innen.

Potenzial für mehr als 10.000 Qubits

Die neu entwickelte Technologie hat nach Ansicht der Physiker:innen großes Potenzial. Sie ermöglicht den Einsatz mehrerer Laserquellen, was die bisher geltenden Beschränkungen durch die Leistungsgrenzen eines einzelnen Lasers überwindet. Nun lassen sich ausgedehnte Architekturen mit mehreren Laserpinzetten-Anordnungen konstruieren.

Die Forscher:innen gehen davon aus, dass bereits in wenigen Jahren noch mehr Laser zum Einsatz kommen können, sodass Quantenprozessoren mit 10.000 Qubits und mehr gebaut werden können.

via TU Darmstadt