Quantencomputer: Google erforscht nun auch neutrale Atome

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Die Google-Forschungsabteilung Google Quantum AI erforscht nun neben supraleitenden Qubits auch Quantencomputer auf Basis neutraler Atome. Dies gab Hartmut Neven gestern auf dem Blog des Unternehmens bekannt.

Seit Jahrzehnten setzt das Unternehmen prominent auf supraleitende Qubits. 2019 demonstrierte das Team mit seinem Quantenchip erstmals Quantenüberlegenheit. Vergangenes Jahr gewannen die (ehemaligen) Google-Forscher John Martinis und Michel Devoret gemeinsam mit John Clarke einen Nobelpreis für Physik für die Grundlagen, die supraleitende Quantenchips erst möglich machten.

Komplementäre Stärke

Das Team wird seine Arbeit an supraleitenden Qubits nicht beenden. „Wir sind zuversichtlich, dass kommerziell nutzbare Quantencomputer auf Basis supraleitender Technologie bis zum Ende dieses Jahrzehnts verfügbar sein werden“, schreibt Neven auf dem Blog.

Stattdessen sei das Ziel, die komplementären Stärken der beiden Architekturen zu nutzen. Supraleitende Qubits bestehen aus winzigen Schaltkreisen, die bei sehr tiefen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt Quanteneigenschaften aufweisen, die sich zur Entwicklung von Qubits nutzen lassen.

Auf supraleitenden Chips konnten Forschende schon tiefe Schaltkreise mit Millionen Quantengattern ausführen. Dies gelingt innerhalb von Mikrosekunden. Die Schaltkreise sind jedoch starr, die Qubits sind fest darauf implementiert, und die Vernetzung der Qubits untereinander ist daher eine Herausforderung. Auch ist es schwierig, die Zahl der Qubits auf zehntausende zu erhöhen, da sich Fehler akkumulieren und die Quanteninformation verrauscht.

Atome sind die Grundbausteine der Natur und von Natur aus identisch. Zwei isolierte Zustände der Atome dienen als Qubits und Atome haben den Vorteil, dass sie robuster gegenüber Fehlern sind als supraleitende Qubits. Auch ist es leichter, Atome gezielt im Raum anzuordnen und auch während der Laufzeit eine Rechnung zu verschieben. So konnten Forschungsgruppen schon zehntausende Atome zu sogenannten Arrays kombinieren.

Quantengatter sind mit Atomen jedoch langsamer, sie benötigen Millisekunden, sind also gut tausendmal langsamer als bei supraleitenden Qubits. Dies wird größtenteils von der höheren Stabilität ausgeglichen; trotzdem wurden noch keine tiefen Schaltkreise mit Qubits aus neutralen Atomen demonstriert.

Die Kombination der beiden Plattformen könnte daher einen Schritt nach vorn ermöglichen. „Wenn wir in beide Ansätze investieren, können wir unser Ziel schneller erreichen“, schreibt Neven. „Indem wir beide Bereiche vorantreiben, fördern wir den gegenseitigen Austausch zwischen Forschung und Technik und können so Zugang zu vielseitigen Plattformen bieten, die auf unterschiedliche Problemstellungen zugeschnitten sind.“

Bausteine der Forschung mit neutralen Atomen bei Google

Das Team fokussiere sich bei seiner Forschung mit neutralen Atomen auf mehrere Aspekte. Das erste ist die Quantenfehlerkorrektur. Während das Team bereits relevante Erfolge bei der Korrektur von Quantenfehlern mit supraleitenden Qubits gezeigt hat, steht dieser Schritt für neutrale Atome noch aus. Die höhere Konnektivität könnte hier ein Vorteil sein.

Darüber hinaus will das Team die Hardware weiterentwickeln. Das Ziel sei es, atomare Qubits in großer Zahl zu kontrollieren und Fehler zu reduzieren. Diese Bemühungen wolle das Team mit computergestützten Simulationen und Modellierungen unterstützen.

Die Leitung für das neu geschaffene Hardwareteam für neutrale Atome übernimmt Adam Kaufman. Der Physiker erforschte zuvor Atome am JILA, einem Forschungsinstitut der University of Colorado (CU) Boulder und des NIST. Er wird jedoch weiterhin als JILA-Fellow und als Mitglied der Fakultät der CU Boulder tätig sein und dem Fachbereich Physik der CU Boulder angehören. Damit wolle Google die Nähe zur Quanten-Forschungslandschaft in den USA unterstreichen.

Darüber hinaus setze Google die Zusammenarbeit mit QuEra fort. QuEra ist ein Spin-off der Harvard Universität und des MIT und gilt aktuell als eines der vielversprechendsten Start-ups im Bereich der Neutralatom-Quantencomputer. Schon Ende 2024 investierte Google Quantum AI in das Start-up.

Auch deutsche Forschungsgruppen untersuchen Quantencomputer auf Basis neutraler Atome. Dazu zählen die DLR Quantencomputing-Initiative und das Start-up planqc aus Garching bei München. Neutrale Atome gelten als eine der vielversprechendsten Architekturen zum Bau von leistungsfähigen Quantencomputern.

(spa)