Chinesische Forscher entwickeln stabileren Quantenprozessor
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Das Team entwickelt einen Quantenprozessor mit Zeitkristallen. Das könnte ein möglicher Durchbruch für fehlerfreies Quantencomputing sein.
Quantencomputer versprechen revolutionäre Fortschritte in vielen Bereichen, etwa bei der Entwicklung von Medikamenten oder der Wettervorhersage. Im Vergleich zu klassischen Computern können sie bestimmte Probleme viel schneller lösen. Doch mit zunehmender Größe dieser vielversprechenden Technologie erweist sich die Anfälligkeit für Fehler als erhebliche Herausforderung.
Zeitkristalle ticken in ihrem eigenen Rhythmus
Einem Team chinesischer Physiker ist es nun gelungen, einen Quantenprozessor experimentell dazu zu bringen, sich wie ein spezieller Zeitkristall zu verhalten. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Nature Communication veröffentlicht.
Zeitkristalle sind Ansammlungen von Teilchen mit sich wiederholenden Mustern – allerdings nicht im Raum, sondern in der Zeit. Wie ein schaukelndes Kind bewegen sie sich periodisch in einem eigenen Rhythmus – nur dass sie keinen äußeren Antrieb benötigen, wie etwa Eltern, die ihr Kind zum Schaukeln anstupsen.
Die Idee der Zeitkristalle wurde 2012 von dem renommierten Physiker Frank Wilczek vorgeschlagen, stieß aber zunächst auf Skepsis. Inzwischen gilt ihr Verhalten als experimentell gesichert und könnte eine Lösung für Präzisionsprobleme im Quantencomputing bieten.
Qubits – ein Wirrwarr an Möglichkeiten
Klassische Computer verwenden Bits mit den Zuständen 0 und 1. Quantencomputer hingegen basieren auf Qubits – Quantenzuständen, die nicht festgelegt sind. Sie können nicht nur die Zustände 0 und 1 haben, sondern auch beide gleichzeitig.
Das ist vergleichbar mit einer Münze, die sich dreht: Sie ist weder Kopf noch Zahl, sondern beides. Auf dieser Grundlage lassen sich komplexe Berechnungen durchführen, für die ein herkömmlicher Computer wesentlich länger benötigen würde.
Das Problem: Qubits können sich leicht mit ihrer Umgebung verschränken, sodass der Zustand eines Qubits den eines anderen beeinflusst. Das führt zu Fehlern und kann letztlich das Programm stören. Je mehr Qubits, desto größer die Fehlerwahrscheinlichkeit.
Topologische Zeitkristalle – robuster und stabiler
Nun ist es gelungen, topologische Zeitkristalle in Quantenschaltkreisen zu realisieren. Dabei tritt die charakteristische Pendelbewegung durch Quantenverschränkung nicht nur in isolierten Bereichen, sondern als Masseneigenschaft des Gesamtsystems auf. Dadurch sind sie weniger anfällig für lokale Störungen.
Die Forscher programmierten einen supraleitenden Quantencomputer so, dass er sich wie ein topologischer Zeitkristall verhält. Tests zeigten: Das System blieb auch bei simuliertem Umgebungsrauschen relativ stabil.
Der Nachweis, dass sich Quantensysteme zu diesem ungewöhnlichen Verhalten steuern lassen, könnte ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu robusteren und weniger fehleranfälligen Quantencomputern sein. Ferner eröffnen sich neue Möglichkeiten, exotische Materiezustände jenseits des Gleichgewichts zu untersuchen.