Schrödingers Katze 2.0? Qubit-Architekturen unter die Haube geschaut

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Qubits eröffnen neue Möglichkeiten in der Datenverarbeitung. Doch ihre hohe Empfindlichkeit gegenüber äußeren Einflüssen – die Dekohärenz – begrenzt die Rechenleistung. Zum Glück ist Qubit nicht gleich Qubit. Neue Architekturen versprechen mehr Robustheit.

Qubits, die grundlegenden Recheneinheiten eines Quantenprozessors, besitzen die bizarre Fähigkeit, neben den Zuständen 0 und 1 einen dritten Zustand der sogenannten Überlagerung (engl. Superposition) einzunehmen, in dem sie mehrere Werte gleichzeitig erfassen. Dieses Verhalten bildet die Grundlage für die Rechenvorteile eines Quantencomputers. Die größte Herausforderung bleibt die Fehleranfälligkeit von Qubits als Informationsspeicher. Unterschiedliche Qubit-Implementierungen verhalten sich jedoch unterschiedlich. Jede Architektur bringt eigene Stärken und eigene technische Herausforderungen mit sich.

In Deutschland forscht u. a. die Helmholtz-Gemeinschaft an neuen Qubit-Plattformen. Dazu gehören Majorana-Qubits (FZJ), Phasenschlupf-Qubits sowie molekulare Qubits (KIT, DLR).

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Im Katzenjammer supraleitender Qubits

Supraleitende Qubits kombinieren Hochfrequenztechnik mit Quantenmechanik. Kernkomponente ist der Josephson-Kontakt – eine nichtlineare Tunnelverbindung, die diskrete Energieniveaus erzeugt, ähnlich einem künstlichen Atom. Im Unterschied zu klassischen LC-Schwingkreisen erlaubt er die Erzeugung diskreter Energieniveaus, die sich ähnlich verhalten wie die Zustände eines künstlichen Atoms.

Die Steuerung erfolgt über präzise Mikrowellenpulse (4–10 GHz). Supraleitende Qubits können Quantengatter im Nanosekundenbereich ausführen, aber sie sind kurzlebig.

Aus ingenieurstechnischer Sicht besteht die größte Herausforderung darin, die Umgebungseinflüsse zu minimieren. Selbst winzige Veränderungen des Erdmagnetfeldes, thermisches Rauschen, Vibrationen des Bodens und elektromagnetische Felder beschleunigen die Dekohärenz. Deshalb werden supraleitende Qubits in hocheffizienten Kryosystemen bei wenigen Millikelvin betrieben.

Supraleitende Qubits lassen sich zwar auf Siliziumwafern integrieren, aber aufgrund der Anforderungen an fortgeschrittene Kryotechnik können bisher nur wenige Unternehmen solche Systeme in nennenswerten Stückzahlen herstellen. Zu den wichtigsten Akteuren zählen IBM, Google, Rigetti Computing, IQM, D-Wave und Quantinuum (eine Fusion aus Honeywell Quantum Solutions und Cambridge Quantum).

„Katzen-Qubits“ von Alice&Bob aus Paris

Herkömmliche supraleitende Qubits (z. B. Transmon-Qubits) sind empfindlich gegenüber Bit-Flip- (den X-Fehlern) und Phase-Flip-Fehlern (den Z-Fehlern). Ein europäisches Startup namens Alice&Bob will mit den sogenannten „Katzen-Qubits“ (im O-Ton: cat qubits) eine fehlertolerante Architektur realisieren, die weniger physische Qubits pro logischem Qubit benötigt als gängige Ansätze von Unternehmen wie IBM oder Google.

Benannt in Anlehnung an das Gedankenexperiment der Schrödinger-Katze unterscheiden sich diese Qubits von herkömmlichen Qubits durch ihre inhärente Fehlerresistenz gegenüber einem der zentralen Probleme in der Quanteninformatik: Bit-Flip-Fehler.

Cat-Qubits stellen eine spezifische physikalische Architekturvariante innerhalb der Familie supraleitender Qubits dar. Sie basieren auf der kohärenten Überlagerung zweier makroskopischer Quantenzustände in einem nichtlinearen supraleitenden Resonator.

Die kohärenten Zustände eines Cat-Qubits werden durch eine nichtlineare Potenziallandschaft stabilisiert, die eine hohe Energiebarriere zwischen ihnen schafft und so Bit-Flip-Fehler unterdrückt.

Ein Cat-Qubit besteht aus einem supraleitenden Schwingkreis mit einem nichtlinearen Element. Bei dem Letzteren handelt es sich meist um einen Josephson-Kontakt (Josephson Junction, JJ). Dieser sorgt für eine anharmonische Energieniveaustruktur, die eine gezielte Kontrolle der Qubit-Zustände ermöglicht.

Diese supraleitenden Schwingkreise erzeugen eine kohärente Superposition zweier entgegengesetzter Zustände im Phasenraum. Diese beiden Zustände lassen sich weiterhin mit Standard-Quantenoperationen präzise steuern und auslesen. Dabei sind sie jedoch durch eine Energiebarriere getrennt, sodass sie nicht einfach ineinander übergehen können – was Bit-Flip-Fehler eindämmt.

Cat-Qubits nutzen mehrere Bauelemente, um ihre kohärenten Zustände zu erhalten.

Zunächst sorgt eine supraleitende Induktivität (L) in Kombination mit einem nichtlinearen supraleitenden Element, dem Josephson-Kontakt – dem nichtlinearen Herzstück des Schaltkreises – für eine anharmonische Energieniveaustruktur. Bei der supraleitenden Induktivität handelt es sich um eine verlustfreie Spule aus supraleitendem Material wie Niobium oder Aluminium, die zur Energiespeicherung dient.

Ein Josephson-Kontakt (JJ) ist eine supraleitende Tunnelverbindung mit nichtlinearer Induktivität. Er besteht aus zwei dünnen Schichten eines supraleitenden Materials, die durch eine nicht-supraleitende Isolationsschicht (wie eine Oxidschicht oder ein normalleitendes Metall) getrennt sind. Die Barriere ist so dünn, dass Elektronen quantenmechanisch da durchtunneln können, ohne dass dabei ein elektrischer Widerstand auftritt.

In einem normalen Leiter fließt elektrischer Strom, wenn eine Spannung anliegt. In einem Josephson-Kontakt kann ein supraleitender Strom (der sogenannte Josephson-Strom) auch ohne Spannung fließen – allein aufgrund der Quantenkohärenz zwischen den beiden supraleitenden Elektroden.

Die nichtlineare Sinusabhängigkeit des Josephson-Stroms von der Phasendifferenz der supraleitenden Wellenfunktionen ist eine der zentralen Eigenschaften des Josephson-Kontakts. Diese Nichtlinearität ermöglicht es, gezielt diskrete und kohärente Quantenzustände in supraleitenden Schaltkreisen zu erzeugen, die sich als kohärente Zustände im Phasenraum manifestieren. Dieses Verhalten lässt sich anhand der nichtlinearen Schrödinger-Gleichung modellieren.

Über eine kapazitive Kopplung (C) interagiert das System mit der Steuer- und Messtechnik und kann über einen Mikrowellenresonator gezielt angeregt oder ausgelesen werden. Dieses Element ist ein supraleitender Hohlraum oder ein Leitungsresonator, der zur Manipulation und zum Auslesen der Qubit-Zustände dient.

Im Gegensatz zu herkömmlichen supraleitenden Qubits (z. B. Transmon-Qubits), bei denen Bit-Flip-Fehler häufig auftreten, sind die kohärenten Zustände eines Cat-Qubits in einer stabilen Potenziallandschaft im Phasenraum gefangen. Dies bewirkt eine intrinsische Unterdrückung von Bit-Flip-Fehlern, wodurch der Bedarf an aufwendigen Fehlerkorrekturmethoden sinkt. Phase-Flip-Fehler (Z-Fehler) stellen weiterhin eine Herausforderung dar.

Der Schwung von Silicon Spin Qubits

Silicon Spin Qubits nutzen den Spin eines einzelnen Elektrons, das in einer winzigen Halbleiterstruktur, dem sogenannten Quantum Dot, gefangen ist. Diese Qubits lassen sich wie miniaturisierte Transistoren fertigen und ihre Spin-Zustände mittels elektrischer oder magnetischer Felder manipulieren.

Da sie im Vergleich zu supraleitenden Qubits meist geringere Anregungsenergien aufweisen, sind sie weniger empfindlich gegenüber thermischem Rauschen. Allerdings erfordert ihre Realisierung ein hochreines Ausgangsmaterial (zum Beispiel 99,9999% hochreines Silizium, kurz: „^28Si“). Mit weniger als 1 Teil pro Million (ppm) des problematischen Isotops Silizium-29 (29 Si) wird ^28Si vor allem in der Quanteninformatik als Substrat für Qubits verwendet.

Silicon Spin Qubits gelten als sehr platzsparend, da sie an die klassische CMOS-Fertigung anknüpfen können. Bei erfolgreicher Optimierung lassen sich Tausende oder Millionen Spin-Qubits auf einem einzelnen Chip realisieren.

Die große Stärke von Silicon Spin Qubits ist ihre Platzersparnis: Bei gelungener Optimierung könnten Tausende oder sogar Millionen dieser Qubits auf einem einzigen Chip integriert werden. Diese Aussicht auf hohe Skalierbarkeit lockt namhafte Akteure wie Intel, HRL Laboratories oder das niederländische QuTech, die mit CMOS-Prozessen vertraut sind und umfangreiche Fertigungskapazitäten besitzen. Auch Universitäten, darunter die University of New South Wales (UNSW), erforschen intensiv die Spin-basierte Architektur. Dank langer Kohärenzzeiten in isotopenreinem Silizium könnte diese Technologie einen wichtigen Schritt in Richtung großflächig einsetzbarer Quantenprozessoren darstellen.

Eingefangen in einer Ionenfalle

Ionenfallen-Qubits machen sich einzelne elektrisch geladene Atomen (Ionen z.B. von Ytterbium oder Barium) zu Nutze, die in einem elektromagnetischen Feld gefangen sind und sich durch Laserpulse steuern lassen.

Ein typisches Ionenfallen-System besteht aus Laserfeldern, die das Ion kühlen und seine Quantenzustände kontrollieren, RF- oder DC-Elektroden, die das Ion im Vakuum fixieren und aus optischen Systemen, die das Qubit auslesen.

Im Gegensatz zu supraleitenden oder spinbasierten Qubits stellen Ionen natürliche Quantenobjekte dar, Ihre Quantenzustände sind von Natur aus gut definiert. Dies verleiht ihnen eine außergewöhnlich lange Kohärenzzeit von mehreren Minuten oder sogar Stunden und ermöglicht extrem präzise Gate-Operationen. Sie lassen sich nur langsam (im Bereich von Mikrosekunden) ansteuern und werfen Probleme der Skalierbarkeit auf.

Zu den Vorreitern dieser Technologie zählen neben Quantinuum auch IonQ, ein Spin-off der University of Maryland, Oxford Ionix und Alpine Quantum Technologies, ein Spin-off der Universität Innsbruck von Rainer Blatt und Thomas Monz, zwei führenden Quantenphysikern.

AQT arbeitet daran, modulare Ionenfallen-Quantencomputer zu entwickeln, die in Standard-Rechenzentren betrieben werden können – also ohne extreme Kühlung oder Vakuumkammern in Laborgröße. Eine zentrale Rolle in der Entwicklung dieser Technologie hat die Forschung an der Universität Innsbruck und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften gespielt.

Am Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) der Bayerischen Akademie der Wissenschaften steht ein 20 Qubit starker Ionenfallen-Quantencomputer von Alpine Quantum Technologies für neuartige Forschungsaufgaben bereit. Das System wurde im Rahmen der Hightech Agenda Bayern vom Leibniz-Rechenzentrum und dem Munich Quantum Valley mit der Finanzierung von Bayerischen Staatsministerien beschafft. Mit dieser modularen Maschine in 19-Zoll-Architektur wurde AQT zum ersten Hardware-Anbieter, der einen Quantencomputer mit gefangenen Ionen in einem Rechenzentrum installiert und in Betrieb genommen habe, so Dr. Thomas Monz, Gründer und CEO AQT.

„Diese Zusammenarbeit stärkt die Ressourcen von MQV, erhöht die Innovationsfähigkeit, ermöglicht wegweisende Entdeckungen und stärkt die Position von MQV als führende Initiative im Bereich Quantencomputing,“ kommentierte Prof. Dr. Joachim Ullrich, Director General MQV.

Das LRZ beabsichtigt in enger Zusammenarbeit mit AQT und MQV die Weiterentwicklung des Munich Quantum Software Stacks voranzutreiben, um „den Nutzer:innen zur fortschrittlichen Quantentechnologie eine robuste, durchgängige hybride Quanten-HPC-Berechnungsressource für wissenschaftlichen Aktivitäten zur Verfügung zu stellen,“ enthüllt Laura Schulz, Leiterin Quantencomputing und -Technologie beim LRZ.

Photonische Qubits

Photonische Qubits nutzen die quantenmechanischen Eigenschaften von Lichtteilchen (Photonen), um Quanteninformationen zu speichern und zu verarbeiten. Photonische Qubits lassen sich einfach vernetzen und sind raumtemperaturfähig, da Photonen keine direkte Wechselwirkung mit ihrer Umgebung haben und daher sehr lange Kohärenzzeiten aufweisen.

Die Quanteninformation lässt sich in verschiedenen Freiheitsgraden der Photonen kodieren, sei es als Polarisationszustände (horizontal/vertikal oder rechts-/links-zirkular), Zeit-Bin-Codierung (frühe vs. späte Ankunftszeit) oder Pfadkodierung (verschiedene Lichtwege in Interferometern).

In Deutschland forschen an photonischen Qubits unter anderem die TRUMPF-Tochter Q.ANT aus Stuttgart, Fraunhofer IOF in Jena, Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ, Garching), Karlsruher Institut für Technologie (KIT), QuNET (Deutsches Quantenkommunikationsnetzwerk, gefördert vom BMBF) und LMU München & Humboldt-Universität zu Berlin.

Auf internationaler Ebene sind in diesem Bereich unter anderem die Unternehmen PsiQuantum (U.S.A/U.K.), die kanadische Xanadu und die britische ORCA Computing neben Forschungseinrichtungen des MIT, Harvard, Caltech und anderen tätig.

Topologische Qubits

Topologische Qubits sind eine vielversprechende, aber noch experimentelle Art von Qubits, die auf den exotischen Eigenschaften von Quasiteilchen (Anyonen) basieren. Ihr Hauptvorteil gegenüber anderen Qubit-Technologien ist die intrinsische Fehlerresistenz. Topologische Qubits codieren die Quanteninformation in globalen Eigenschaften des Systems, die sich durch lokale Störungen nicht so leicht beeinflussen lassen.

Als Basis für Qubit-Manipulationen dienen hier Anyonen mit ihren nichttrivialen Austauschstatistiken. Ein besonders interessanter Typ dieser Teilchen sind nichtabelsche Anyonen – ihre Quantenzustände hängen nicht nur von ihrer aktuellen Position, sondern auch von ihrem Austauschpfad, dem sogenannten Braiding (der Verdrillung von Quasiteilchenpfaden) ab.

In einem topologischen System kann man zwei Anyonen „umkreisen“ oder „verdrillen“. Die Reihenfolge der Bewegungen bestimmt den Endzustand des Systems – ähnlich wie ein logisches Gatter in klassischen Computern. Da diese Qubit-Zustände nicht lokal gespeichert, sondern über das gesamte System verteilt sind, sind sie robust gegen Störungen und Dekohärenz.

An topologischen Qubits forschen unter anderem Microsoft (StationQ, QuArC) und Nokia Bell Labs, eine Forschungseinrichtung des gleichnamigen finnischen Telekommunikationsunternehmens. Redmond setzt dabei auf Majorana-Fermionen in hybriden Halbleiter-Supraleiter-Strukturen, Nokia auf die mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Entdeckung des fraktionalen Quanten-Hall-Effekts.

Molekulare Qubits

Molekulare Qubits kodieren Quanteninformation im Elektronenspin paramagnetischer Metallkomplexe (z.B. mit Kupfer, Vanadium oder Lanthaniden) und/oder Kernspin innerhalb eines Moleküls. Die Quanteninformation in Elektronenspin-basierten molekularen Qubits wird mithilfe von Magnetfeldern oder Mikrowellen gespeichert und ausgelesen. Kernspin-basierte molekulare Qubits werden mittels NMR- (Nuclear Magnetic Resonance) oder ESR-Techniken (Electron Spin Resonance) gesteuert.

Ein entscheidender Vorteil molekularer Qubits ist die Möglichkeit, Eigenschaften wie Kohärenzzeit und Kopplung gezielt durch molekulare Synthese zu optimieren. Zudem lassen sich diese Qubits mit anderen Qubit-Technologien kombinieren. Sie können unter anderem in Festkörperstrukturen oder supraleitende Systeme integriert werden. In Deutschland forschen daran unter anderem Universität Stuttgart und Fraunhofer IAF.

Fazit

Durch ihre bizarren Quanteneigenschaften eröffnen Qubits völlig neue Perspektiven für Forschung und Industrie. Allerdings sind Qubits nicht alle gleich: Jede Architektur setzt eigene Schwerpunkte und bringt auf dem Weg zum Quantencomputer im industriellen Maßstab eigenartige Herausforderungen mit sich.

Supraleitende Qubits glänzen durch extrem schnelle Schaltvorgänge, leiden jedoch unter vergleichsweise kurzer Kohärenzzeit. Silicon-Spin-Qubits vertragen sich mit der etablierten Halbleiterindustrie und könnten den Sprung aus dem Labor in industrielle Fertigungsprozesse erleichtern. In einer Ionenfalle bleiben Qubit-Zustände besonders lange stabil, was eine hohe Zuverlässigkeit verspricht. Photonische Qubits wiederum lassen sich leicht vernetzen und funktionieren potenziell sogar bei Raumtemperatur.

Auf lange Sicht könnten sich noch andere, heute völlig undenkbare, Qubit-Plattformen durchsetzen. Das Rennen um die beste(n) Qubit-Architektur(en) ist jedenfalls in vollem Gange. (mbf)

* Anna Kobylinska und Filipe Pereia Martins arbeiten für McKinley Denali, Inc., USA.

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