Einzigartiges Material für Quantencomputer gefunden

Als weltweit erste hat eine internationale Forschergruppe eine schaltbare Stoffstruktur gefunden und damit eine weitere Hürde auf dem Weg zur Quanteninformatik genommen. Das begehrte Metamaterial kann in seiner Lichtdurchlässigkeit bei einer Temperatur von -273 °C genau gesteuert werden. Damit kann das Material als Kontrollelement bei der Quantensignalverarbeitung eingesetzt werden.

Das Team aus Forschern vom Jenaer Leibniz-Institut für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT), dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der National University of Science and Technology (NUST MISIS) in Moskau stellte erstmals ein Quanten-Metamaterial her, das mit Lichtstrahlung im Mikrowellenbereich wechselwirkt. Das Material besteht aus einer linearen Anordnung von 15 Quantenbits (Qubits): Schleifen von wenigen Mikrometern Durchmesser aus Aluminium, die bei ihrer Arbeitstemperatur von etwa -273°C elektrischen Strom supraleitend und damit verlustfrei transportieren. Aus der Verbindung zweier derartiger Schleifen konstruierten die Forscher nun im Reinraum des IPHT sogenannte Zwillings-Qubits.

Transparenz ein- und ausschaltbar

"Im Magnetfeld zeigte das Metamaterial eine für uns unerwartete Eigenschaft: Wir können seine Durchlässigkeit für Strahlung im Mikrowellenbereich genau steuern", schildert Prof. Evgeni Il’ichev, Jena. Dass man die Transparenz dieser Materialien über die Konfiguration des Grundzustands der Qubits ein- und ausschalten könnte, war bis dahin völlig unbekannt. Die Forschungsergebnisse, die unter Leitung von Alexey Ustinov (NUST MISIS) entstanden, publizierten die Wissenschaftler jetzt im hochrangigen Fachblatt Nature Communications.

Im Unterschied zu den Bits eines klassischen Rechners nehmen Qubits nicht nur die Zustände 0 und 1 an, sie befinden sich in einem überlagerten Zustand, der gleichzeitig 0 und 1 ist. Durch diese Überlagerungszustände können Quantencomputer eine große Zahl an Rechenoperationen parallel verarbeiten, während heutige Rechner diese nacheinander ausführen. Die Anzahl der Operationen steigt exponentiell mit der Anzahl der eingesetzten Qubits. IBM bietet seit Kurzem Online-Zugriff auf einen Supraleiter-basierten Quantencomputer mit 20 Qubits. (agr)