Die Skalierbarkeit von Quantensystemen ist ein Schlüsselaspekt für die Weiterentwicklung von Quantencomputern, da die Vorteile, die sie bieten, immer offensichtlicher werden, wenn die Systeme vergrößert werden. Ein Forscherteam der TU Darmstadt hat kürzlich einen entscheidenden Schritt in Richtung dieses Ziels gemacht. Quantum-Prozessoren, die auf zweidimensionalen Arrays von optischen Pinzetten basieren, die mit fokussierten Laserstrahlen erzeugt werden, sind eine der vielversprechendsten Technologien für die Entwicklung von Quantencomputern und -simulationen, die in Zukunft hochwertige Anwendungen ermöglichen werden.
Diese Prozessoren waren bisher in der Lage, mehrere hundert einzelne Atom-Quantensysteme zu halten, wobei jedes Atom ein Quantenbit oder Qubit als grundlegende Einheit quantenmechanischer Information darstellt. Um weitere Fortschritte zu erzielen, ist es notwendig, die Anzahl der Qubits in den Prozessoren zu erhöhen. Dies wurde nun von einem Team unter Leitung von Professor Gerhard Birkl aus der Forschungsgruppe Atome-Photonen-Quanten im Fachbereich Physik der TU Darmstadt erreicht. Durch die Kombination der neuesten quantenoptischen Methoden mit fortschrittlicher mikrooptischer Technologie konnten die Forscher die bisherigen Grenzen in Bezug auf die Anzahl zugänglicher Qubits signifikant erhöhen.
Die Forscher konnten in ihren Experimenten nachweisen, dass ihr Ansatz, die neuesten quantenoptischen Methoden mit fortschrittlicher mikrooptischer Technologie zu kombinieren, es ihnen ermöglicht hat, die aktuellen Grenzen in Bezug auf die Anzahl zugänglicher Qubits signifikant zu erhöhen. Dies wurde durch die Einführung der neuartigen Methode des “Quantenbit-Superladens” erreicht. Es ermöglichte ihnen, die Beschränkungen hinsichtlich der Anzahl verwendbarer Qubits durch die begrenzte Leistung der Laser zu überwinden. Insgesamt wurden 1.305 einzelne Atom-Qubits in einem Quantenarray mit 3.000 Fangstellen geladen und zu fehlerfreien Zielen mit bis zu 441 Qubits neu zusammengefügt.
Für viele verschiedene Anwendungen wird die Schwelle von 1.000 Qubits als Wert angesehen, ab dem der Effizienzschub, der von Quantencomputern versprochen wird, nun erstmals gezeigt werden kann. Forscher auf der ganzen Welt arbeiten intensiv daran, diese Schwelle zu überschreiten. Die Studie von Birkl und Kollegen beschreibt, wie weitere Erhöhungen der Anzahl von Laserquellen es ermöglichen werden, in nur wenigen Jahren Qubit-Zahlen von 10.000 und mehr zu erreichen.
