Quantencomputer: Karlsruher Forscher setzen auf granulares Aluminium als supraleitendes Material

Wissenschaftler am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) sehen im supraleitenden Material grAI (granulares Aluminium) großes Potential, um die bisherigen Hürden für den Quantencomputer zu überwinden. In der Fachzeitschrift Nature Materials berichten sie über den erfolgreichen Einsatz granularen Aluminiums für Quantenschaltungen.

Ein Fluxonium-Qubit mit granularem Aluminium befindet sich bis zu 30 Mikrosekunden in einem Zustand zwischen „0“ und „1“ (Bild: Ioan M. Pop / KIT).

Quantencomputer arbeiten im Gegensatz zu den heute gebräuchlichen Digitalrechnern nach den Gesetzen der Quantenmechanik und nicht auf Basis der Gesetze der klassischen Physik und Informatik. Wichtigster Unterschied ist, dass ein Quanten-Bit (Qubit) nicht nur die Zustände „0“ und „1“ kennt, sondern auch beliebige Überlagerungszustände von 0 und 1 zugelassen sind.

„Die Herstellung von Qubits, die klein genug sind und sich schnell genug schalten lassen, um Quantenkalkulationen auszuführen, stellt eine enorme Herausforderung dar“, erklärt Ioan M. Pop, Leiter der Forschungsgruppe Kinetic Inductance Quantum Systems am Physikalischen Institut (PHI) und am Institut für Nanotechnologie (INT) des KIT. Das KIT gilt als die „Forschungsuniversität“ in der Helmholtz-Gemeinschaft.

Gute Voraussetzungen versprechen supraleitende Schaltungen aus einem Material, das bei sehr niedrigen Temperaturen elektrischen Strom verlustfrei leitet. Das Ziel ist, den Quantenzustand der Qubits zu erhalten und sie effizient miteinander zu verbinden. Dem stehen jedoch Wechselwirkungen mit der Umgebung entgegen, die eine zunehmende Dekohärenz – Zerfall des Quantenzustands – bewirken, je mehr Qubits zur Verwendung kommen. In Karlsruhe sowie der Nationalen Universität für Forschung und Technologie MISIS in Moskau wurde nun erstmals granulares Aluminium als supraleitendes Material für Quantenschaltungen mit hoher Kohärenz eingesetzt.

Ein von den Forschern hergestellten Fluxonium-Qubit mit granularem Aluminium kam auf eine Kohärenzzeit von bis zu 30 Mikrosekunden – der Zeit, in der sich ein Qubit in einem Zustand zwischen „0“ und „1“ befinden kann. In dieser Zeitspanne ist es bereits möglich, über tausend logische Operationen durchzuführen. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass granulares Aluminium eine neue Klasse von komplexen Qubit-Designs erschließen und dazu beitragen kann, die derzeitigen Grenzen der Quanteninformationsverarbeitung zu überwinden“, so der Physiker Ioan Pop.

Quantencomputing könnte millionenfache parallele Berechnungen erlauben und einen kaum vorstellbaren Leistungsvorsprung gegenüber herkömmlicher Computertechnik verschaffen. Es basiert auf der Quantentheorie und verwendet subatomare Partikel zur Datenspeicherung. Entsprechende Computer sollen deutlich schneller arbeiten als heutige Systeme und jegliche Aufgaben berechnen können. Forschung zu Quantenrechnern betreiben unter anderem IBM, Microsoft, Intel und weitere Unternehmen.

Durch diese neue Rechenarchitektur könnten beispielsweise in Sekundenbruchteilen sehr starke Verschlüsselungen geknackt werden. Zudem sind damit Simulationen möglich, die sich mit einem klassischen Rechner nicht nachbilden lassen, was für die Entwicklung von Medikamenten oder neuen Materialien einen erheblichen Vorteil verspricht. Auch autonome Systeme oder künstliche Intelligenz könnten von Quantencomputing profitieren.