Eine ungewöhnliche Form von flüssigem Helium, die auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt wird, könnte Quantencomputern eine weitere Möglichkeit bieten, Informationen vor elektrischem Rauschen zu schützen.
Forscher der University of Surrey und der Northwestern University haben eine mikromechanische Qubit-Architektur namens Superfluid Helium Oscillator Quantum oder SHOQ-Gerät vorgeschlagen.
In einer in npj Quantum Information veröffentlichten Studie modellierte das Team, wie suprafluides Helium-3 zur Kodierung von Quanteninformationen eingesetzt werden könnte, ohne auf elektrisch geladene Komponenten zurückzugreifen, wie sie in herkömmlichen supraleitenden Qubits zu finden sind.
Durch den Austausch elektrischer Ströme gegen einen neutralen Flüssigkeitsstrom schätzen die Forscher, dass der Ansatz Fehler bei Quantenberechnungen im Vergleich zu herkömmlichen supraleitenden Schaltkreisen um etwa das 100-Fache reduzieren könnte.
Neutrale Atome statt empfindlicher Elektronik
Die führenden Plattformen von heute, darunter die von IBM und Google entwickelten Prozessoren, setzen stark auf supraleitende Schaltkreise wie Transmons.
Ihre geladenen Komponenten sind zwar leistungsfähig, wirken jedoch wie Antennen für elektromagnetisches Rauschen und dielektrische Defekte – ähnlich wie statische Aufladung an einem Luftballon. Diese Fehler sind ein Grund dafür, dass für fehlertolerante Quantencomputer voraussichtlich viele physische Qubits erforderlich sein werden, um jeweils ein zuverlässiges logisches Qubit zu erzeugen.
Die SHOQ-Architektur vermeidet elektrische Ladungen vollständig, indem sie suprafluides Helium-3 verwendet. Da die Atome keine Nettoladung tragen, wechselwirken sie nicht mit elektrischen Streufeldern. In einem mikrofluidischen Hohlraum mit einer oszillierenden Platte und einer nanometergroßen Engstelle eingeschlossen, fließt das Helium reibungsfrei und kodiert Daten in quantisierten mechanischen Schwingungen.
„Die Mathematik sagt uns, dass es funktionieren sollte“, sagte Dr. Priya Sharma, wissenschaftliche Mitarbeiterin an der University of Surrey und Hauptautorin der Studie. „Wir haben unser vorhandenes Wissen über suprafluides Helium und Quantentechnologien in ein fundiertes Design überführt, einschließlich der für den Bau eines solchen Geräts erforderlichen Parameter und Spezifikationen. Als Nächstes müssen wir einen Prototyp bauen und diese Vorhersagen auf die Probe stellen.“
Der Mitautor Dr. Eran Ginossar wies darauf hin, dass das Gerät bestehende Systeme nicht vollständig ersetzen müsse. „Die Kombination verschiedener Quantentechnologien könnte es uns ermöglichen, die Stärken jeder einzelnen zu nutzen“, sagte er.
Schnelle Gatter und robuste Speicher verbinden
Kommerzielle Quantenprozessoren stehen vor einem grundlegenden Dilemma zwischen Geschwindigkeit und Stabilität: Supraleitende Qubits können schnelle Gatteroperationen unterstützen, doch die Aufrechterhaltung der Kohärenz bleibt eine große Herausforderung.
Das Surrey-Design weist auf ein modulares Rechenmodell hin, das der Architektur klassischer Computer ähnelt. Anstatt einen einzigen Qubit-Typ sowohl schnelle Operationen als auch die langfristige Datenspeicherung ausführen zu lassen, könnten SHOQ-Geräte als Quantenregister fungieren, während Transmon-Schaltkreise schnelle Logikgatter übernehmen.
Was eWeek herausgefunden hat: Die Herausforderung der kryogenen Infrastruktur
Dieselbe Physik, die ein Qubit aus suprafluidem Helium resistent gegen elektrisches Rauschen machen könnte, schafft auch eine große technische Herausforderung: extreme Kühlung.
Helium-3 wird bereits bei Temperaturen von wenigen Millikelvin suprafluid, während die in der Studie modellierten Bedingungen bis in den Submillikelvinbereich reichen – also kälter sind als die typischen Betriebstemperaturen vieler supraleitender Quantenprozessoren.
Das Erreichen dieser Temperaturen kann kryogene Verfahren erfordern, die über die standardmäßige Mischungskühlung hinausgehen, wodurch die unterstützende Hardware komplexer wird. Dieser Kompromiss könnte sich lohnen, wenn sich SHOQ-Qubits als deutlich rauschresistenter erweisen und den für die Quantenfehlerkorrektur erforderlichen Mehraufwand reduzieren.
Derzeit bleibt SHOQ jedoch eine vorgeschlagene Architektur. Die Forscher müssen noch einen Prototyp bauen und nachweisen, dass sich die vorhergesagten Vorteile bei Kohärenz, Steuerung und Kopplung auch in realer Hardware bestätigen.
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