Quantencomputer gelten als Rechner der Zukunft. Denn dank quantenphysikalischer Prozesse wie der Überlagerung und Verschränkung können sie viele Lösungsansätze gleichzeitig prüfen und so schneller sein als herkömmliche Computer. Unternehmen wie IBM, Google und andere haben bereits erste kommerziell nutzbare Quantencomputer entwickelt, auch wenn diese für die meisten Anwendungen noch zu klein sind und zu wenige Quantenbits beinhalten. Die meisten dieser Systeme beruhen auf sogenannten Transmon-Qubits. Dabei handelt es sich um virtuelle Teilchen in Form von Ladungsinseln in speziellen supraleitenden Metallspulen. Damit diese Qubits Rechenoperationen durchführen können, müssen sie einerseits während der Rechenzeit möglichst ungestört im Überlagerungszustand bleiben. Dies erfordert eine bestmögliche Abschirmung gegen Störeinflüsse von außen. Andererseits jedoch müssen sie miteinander gekoppelt werden, um Schaltkreise zu bilden.
Zwischen Kopplung und Unordnung
Damit arbeiten die gängigen Quantencomputer in einem fragilen Gleichgewicht zwischen Ordnung in Form der Kopplung zwischen den Qubits und einer Unordnung, die den einzelnen Qubits genügend Freiraum für unabhängige Fluktuationen bietet. “Der Transmon-Chip toleriert nicht nur, sondern benötigt sogar effektiv zufällige Qubit-zu-Qubit-Unvollkommenheiten”, erklärt Erstautor Christoph Berke von der Universität zu Köln. Denn die miteinander gekoppelten Quantenbits ähneln einem System gekoppelter Pendel, dessen Fluktuationen sich leicht zu unkontrollierbar großen Schwingungen mit katastrophalen Folgen aufschaukeln können. Das Prinzip dahinter ähnelt dem Effekt bei der Resonanz von Brücken: Wenn große Gruppen diese überqueren, müssen sie vermeiden, im Gleichschritt zu marschieren, weil sonst sich aufschaukelnde Resonanzschwingungen entstehen.
Auch in Quantencomputern soll eine absichtlich eingeführte Unordnung die Entstehung solcher chaotischen Resonanzfluktuationen vermeiden. Absichtlich eingeführte lokale „Verstimmungen“ verhindern eine zu starke Kopplung der Qubits und halten in Multi-Qubit-Prozessoren das fragile Gleichgewicht zwischen Ordnung und Unordnung aufrecht. Die zurzeit gängigen Quantencomputersysteme nutzen dabei unterschiedliche Methoden, um dieses Gleichgewicht zu halten. IBM nutzt eine Struktur, bei der Qubits mit gleicher Frequenz abwechselnd im Gitter platziert werden, um unerwünschte Kopplungen von Nachbar-Qubits zu verhindern. Allerdings kann es dabei trotzdem noch zu Kopplungen zum jeweils übernächsten Qubit kommen, wie Berke und sein Team erklären. Die Quantencomputer der TU Delft und von Google hingegen nutzen aktive punktuelle Störungen, um unerwünschte Resonanzen zu blockieren.
