Zusammenfassung:
Ein internationales wissenschaftliches Forschungsteam hat kürzlich eine neue Methode zum Lesen von Quanteninformationen vorgeschlagen, mit der der Qubit-Zustand ermittelt werden soll, ohne das Quantensystem wesentlich zu stören, und die einen effizienteren technischen Weg für die Überwachung und Steuerung zukünftiger Quantencomputer bietet. Untersuchungen zeigen, dass eine Art Quantengerät namens „Andreev-Qubits“ seinen internen Zustand durch das von ihm erzeugte Stromsignal offenlegen kann, wodurch die Zerstörung von Quanteninformationen bei herkömmlichen Messungen verringert wird.
In klassischen Computern können Bits nur zwei Zustände annehmen: 0 oder 1. Qubits im Quantencomputing können jedoch nicht nur 0 und 1 darstellen, sondern sich auch in einem Quantenzustand befinden, der durch die Überlagerung der beiden entsteht. Aufgrund dieser Eigenschaft wird erwartet, dass Quantencomputer herkömmliche Computer bei bestimmten Aufgaben weit übertreffen. Gleichzeitig sind Quantenzustände jedoch äußerst fragil, und sowohl Umwelteinflüsse als auch die Messung selbst können ihren Zustand ändern und zu Informationsverlusten führen.
Diese Forschung konzentriert sich auf Andreev-Qubits. Solche Qubits basieren auf speziellen Quantenzuständen, die zwischen supraleitenden Materialien gebildet werden. Das vom Forscherteam entworfene System besteht aus einem extrem dünnen Indiumarsenid-Nanodraht. Die beiden Enden des Nanodrahts sind mit supraleitenden Materialien verbunden und in der Mitte wird ein Quantenpunkt gebildet, um den Elektronenaktivitätsraum zu begrenzen. In dieser mikroskopischen Umgebung entsteht der Zustand des Andreev-Qubits.
José Carlos Egues, einer der Forschungsleiter und Professor am São Carlos Institute of Physics der Universität von São Paulo in Brasilien, sagte, dass im Rahmen der traditionellen Quantenmechanik die direkte Messung von Qubits häufig dazu führt, dass sie in einen bestimmten Zustand kollabieren und dadurch die ursprünglich erhaltenen Informationen zerstören. Daher werden viele aktuelle Quantencomputerlösungen Hilfs-Qubits als „Vermittler“ einführen, um zunächst Informationen an die Hilfs-Qubits zu übertragen und diese dann zu messen, um die Auswirkungen auf die Ziel-Qubits zu minimieren.
Diese Methode erfordert jedoch zusätzliche Geräte und Arbeitsschritte, was die Komplexität des Systems erhöht. Das Forschungsteam schlug eine andere Idee vor, die darin besteht, das vom Ziel-Qubit selbst erzeugte Signal direkt zum Lesen von Informationen zu nutzen, ohne auf Hilfs-Qubits zurückgreifen zu müssen.
Theoretischen Berechnungen zufolge befindet sich das Qubit in einem geschlossenen supraleitenden Kreislauf, in dem ein Suprastrom ohne Widerstand fließt. Untersuchungen haben ergeben, dass Quanteninterferenzen zwischen verschiedenen Zuständen dazu führen, dass einige Superströme periodische Schwingungen erzeugen, wenn sich Qubits in einem Überlagerungszustand befinden. Dieses oszillierende Signal ist für Forscher der Schlüssel zur Gewinnung von Quanteninformationen.
Normalerweise erfordert diese Art von Schwingungsphänomen das Anlegen einer Spannung, um den berühmten AC-Josephson-Effekt zu erzeugen. Das in dieser Studie vorgeschlagene System benötigt keine externe Spannung und die Schwingung wird vollständig vom Entwicklungsprozess des eigenen Zustands des Qubits abgeleitet. Das bedeutet, dass das Qubit aktiv seine eigenen Zustandsinformationen „freigibt“.
Um dieses schwache Signal zu erkennen, entwickelten und verwendeten die Forscher SQUID (supraleitendes Quanteninterferometer) als Lesegerät. SQUID ist in der Lage, extrem schwache Magnetfeldänderungen zu erkennen. Das Forschungsteam stellte anschaulich fest, dass das Qubit und das SQUID als zwei nahe beieinander liegende Kompasse betrachtet werden können. Der Strom im Qubit erzeugt ein Magnetfeld und das SQUID erkennt diese Änderung des Magnetfelds. Da die Kopplung zwischen den beiden extrem schwach ist, ist auch die Störung, die das Messgerät am Qubit selbst erzeugt, sehr begrenzt.
Weitere Analysen ergaben, dass alle wichtigen Informationen über den Zustand des Qubits im Superstrom kodiert waren. Superstrom enthält sowohl einen konstanten Teil als auch einen oszillierenden Teil. Der konstante Stromwert und die Amplitude der Schwingung können das Verhältnis von 0 und 1 im Quantenzustand verraten, während der Zeitpunkt, zu dem die Schwingung beginnt, die Phasenbeziehung zwischen den beiden Zuständen widerspiegelt. Indem sie aufzeichneten, wie sich der Strom im Laufe der Zeit ändert, konnten die Forscher den ursprünglichen Quantenzustand des Qubits rekonstruieren.
Dieser Ansatz hat auch den wichtigen Vorteil, dass Forscher die Entwicklung von Qubits kontinuierlich verfolgen können, ohne sie nach jeder Messung neu initialisieren zu müssen, was es einfacher macht, das dynamische Verhalten von Quantensystemen zu beobachten.
Das Forschungsteam fügte dem Simulationsexperiment realistische Faktoren wie Messrauschen und Detektionsspulen-Feedback hinzu. Die Ergebnisse zeigen, dass die Messgenauigkeit je nach Anzahl der Messungen 99,52 %, 99,81 % bzw. 99,85 % erreichen kann. Diese Indikatoren erfüllen die Genauigkeitsanforderungen, die üblicherweise in der aktuellen Quantenfehlerkorrekturtechnologie verwendet werden.
Die Forscher wiesen darauf hin, dass diese Lösung das Grundproblem der unvermeidlichen Auswirkungen von Quantenmessungen nicht grundsätzlich löst, diese Auswirkungen jedoch auf ein sehr geringes Maß reduzieren kann und gleichzeitig die Abhängigkeit von Hilfs-Qubits in herkömmlichen zerstörungsfreien Messlösungen beseitigt.
Diese Studie wurde gemeinsam von Forschern der Universität São Paulo in Brasilien und des Beijing Institute of Technology in China durchgeführt. Die entsprechenden Ergebnisse wurden in „Physical Review B“ veröffentlicht. Das Forschungsteam erklärte, dass die SQUID-Technologie zur Erkennung ultraschwacher Ströme und Magnetfelder bereits recht ausgereift sei, so dass man nicht auf neue Materialien oder Durchbrüche in der Fertigungstechnologie warten müsse, um diese Lösung umzusetzen. Alle in der Studie verwendeten Parameter sind von realen Systemen abgeleitet. Das Einzige, was noch nicht tatsächlich gebaut wurde, ist die spezifische Gerätestruktur und das experimentelle Layout, die vom Forschungsteam vorgeschlagen wurden.
Die Forscher glauben, dass diese neue Methode zum Lesen von Quanteninformationen durch den Superstrom des Qubits selbst eine wichtige technische Grundlage für zukünftige Quantencomputer werden wird, um eine hochpräzise, störungsarme Überwachung zu erreichen, solange die entsprechende experimentelle Verifizierung abgeschlossen ist.
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