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Weltrekord für TU Darmstadt

1000 atomare Qubits, Tendenz steigend

15. Februar 2024, 19:40 Uhr | Heinz Arnold

Experimenteller Aufbau für den Betrieb einer Quantenprozessor-Architektur mit über 1.000 Einzel-Atom-Quantenbits an der TU Darmstadt.

Darmstädter Forscher haben die weltweit erste experimentelle Quantenprozessorarchitektur realisiert, die mehr als 1.000 atomare Qubits in einer einzigen Ebene enthält – eine bisher für schwer überwindbar gehaltene Schwelle.

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»Wir freuen uns, dass wir die Marke von 1.000 einzeln kontrollierbaren atomaren Qubits als erste erreicht haben, während so viele exzellente Konkurrenten uns dicht auf den Fersen sind«, sagt Professor Gerhard Birkl, der die Arbeitsgruppe »Atome - Photonen - Quanten« vom Fachbereich Physik der TU Darmstadt leitet.

Bislang konnten diese Prozessoren auf Basis von neutralen Atomen nur einige Hundert Einzel-Atom-Quantensysteme aufnehmen, wobei jedes Atom ein Quantenbit oder Qubit, als grundlegende Einheit der Quanteninformation darstellt. Die Forscher der Arbeitsgruppe »Atome - Photonen - Quanten« konnten experimentell zeigen, dass der Ansatz, modernste quantenoptische Methoden und fortschrittliche mikrooptische Technologie zu kombinieren, es ermöglicht, die Grenze der zugänglichen Qubit-Zahlen deutlich zu erhöhen.

Dies gelang durch die Einführung der neuartigen Methode der »Quantenbit-Turboaufladung«. Dabei wird die Begrenzung der Anzahl der einsetzbaren Qubits aufgrund der limitierten Laserleistung aufgehoben. In einem Quantenregister mit 3.000 Speicherplätzen werden 1.305 Einzel-Atom-Qubits gespeichert und zu defektfreien Zielstrukturen von bis zu 441 Qubits umarrangiert. Durch den parallelen Einsatz mehrerer Laserquellen sprengt dieses Konzept bisher als schwer überwindbar angenommene technologische Grenzen.

Die Basis bildeten Quantenprozessoren auf der Basis von zweidimensionalen Registern aus optischen Pinzetten, wie sie durch fokussierte Laserstrahlen erzeugt werden. Sie stellen eine der aussichtsreichsten Technologien dar, mit denen sich Quantenberechnungen und -simulationen in Richtung von nutzbringenden Anwendungen entwickeln lassen. Vielfältige Einsatzmöglichkeiten, von der Medikamentenentwicklung bis zur Optimierung von Verkehrsströmen, werden davon profitieren.

Für viele Anwendungsszenarien wird die Zahl von 1.000 Qubits als ein Schwellenwert angesehen, ab dem der angestrebte Effizienzvorteil von Quantencomputern erstmals demonstriert werden kann. Entsprechend intensiv wurde weltweit daran gearbeitet, diesen Schwellenwert erstmalig zu erreichen. Mit der nun publizierten Forschungsarbeit ist dies für atomare Quantensysteme der Arbeitsgruppe um Professor Birkl weltweit zum ersten Mal gelungen. Wie in der Publikation ebenfalls dargelegt, wird eine weitere Erhöhung der Zahl der Laserquellen bereits in wenigen Jahren den Zugang zu Qubit-Zahlen von 10.000 und mehr ermöglichen.

Die Forscher beschreiben ihre Ergebnisse in einem Forschungsartikel, der zunächst Anfang Oktober 2023 auf dem arXiv-Preprint-Server veröffentlicht wurde und jetzt nach wissenschaftlicher Begutachtung in der renommierten Fachzeitschrift OPTICA publiziert wurde.