Quantencomputer im Magnetfeld: Neue Ionenfalle für mehr Qubits

An der ETH Zürich hat sich eine Forschungsgruppe der Grenzen aktuelle Quantencomputer angenommen. Eine der größten Herausforderungen stellt die Erweiterung auf deutlich über 100 Qubits. Tatsächlich in Nutzung sind derzeit nur wenige Modelle mit einigen hundert Qubits. Aufbauten mit weit über tausend Qubits gibt es zwar ebenfalls, etwa am Forschungszentrum Jülich, die aber noch nicht wirklich zeigen konnten, was sie können.

Um dem zu begegnen, haben sich die Forschenden eine möglichst stabile und mit vergleichsweise wenig Aufwand zu konstruierende Methode herausgenommen. Eine Ionenfalle mit Radiostrahlung kann stabile Quantenzustände aufrechterhalten und gilt deshalb als vielversprechend.

Allerdings wird für jede dieser Fallen, die am Ende einen Qubit darstellt, Platz benötigt. Die Quelle der Radiostrahlung erfordert viel Energie. Auch Interferenzen zwischen den Schaltungen sowie der Bedarf an speziellen Materialien treiben die Kosten, erhöhen den Energieverbrauch und drücken die Effizienz.

Dem entgegengesetzt werden soll eine Ionenfalle, die statt Radiostrahlung ein Magnetfeld mit einer Stärke von 3 Tesla verwendet. Dieser Wert liegt im Bereich eines typischen Magnetresonanztomographen, also ziemlich hoch. Ungeachtet dessen soll die so konstruierte Falle äußerst kompakt gebaut werden können. Im nächsten Schritt gilt es, mehrere gleichartigen Aufbauten zu einer komplexeren Schaltung zusammenzufassen.

In der in Nature veröffentlichten Studie werden weitere Vorteile der Methode aufgezeigt. Unter anderem ist das Magnetfeld im Gegensatz zu Radiostrahlung über die komplette Ionenfalle hinweg gleichstark. Das erlaubt eine wesentlich bessere Steuerung des Ions. So konnte das Forschungsteam zum Beispiel ein einzelnes Beryllium-Ion gezielt über einen wenige Mikrometer großen Bereich bewegen. Weit über 100 unterschiedliche Positionen sind auf der Fläche möglich.

Dank der flexiblen Positionierung sollen viele weitere Anwendungsmöglichkeiten der Ionenfalle denkbar sein. Vielleicht sogar irgendwann einmal ein Quantencomputer, der unter akzeptablen Bedingungen (Größe, Effizienz) die schon längst versprochen Fähigkeiten (richtig viel Leistung) mit sich bringt.