Riesen-Superatome: Neuer Bauplan für robuste Quantencomputer

Quantencomputer gelten als Hoffnungsträger für Probleme, an denen klassische Rechner scheitern. Etwa bei der Simulation komplexer Moleküle oder bei der Analyse kryptografischer Verfahren. Doch der Weg zur praktischen Maschine ist steinig. Der Grund ist bekannt: Qubits verlieren zu schnell ihre Information.

Forschende der Chalmers University of Technology haben nun ein theoretisches Konzept vorgestellt, das dieses Kernproblem adressiert. Ihr Ansatz kombiniert zwei bisher getrennte Ideen aus der Quantenphysik – Riesenatome und Superatome – zu sogenannten Riesen-Superatomen. Ziel ist ein Quantensystem, das Informationen besser schützt und sich einfacher skalieren lässt.

Das Grundproblem: Dekohärenz

Qubits sind empfindlich. Schon kleinste Störungen durch elektromagnetisches Rauschen oder thermische Fluktuationen reichen aus, um ihren Quantenzustand zu zerstören. Dieser Verlust von Quanteninformation wird als Dekohärenz bezeichnet. Er begrenzt die Rechenzeit und damit die Leistungsfähigkeit heutiger Quantenprozessoren.

„Quantensysteme sind außerordentlich leistungsfähig, aber auch extrem empfindlich. Der Schlüssel zu ihrer Nutzbarkeit liegt darin, zu lernen, wie man ihre Interaktion mit der Umgebung kontrollieren kann“, sagt Lei Du, Postdoktorand im Bereich angewandte Quantentechnologie an der Chalmers University of Technology.

Genau hier setzt das neue Modell an. Es nutzt kontrollierte Wechselwirkungen mit der Umgebung, um die störenden Effekte nicht nur zu minimieren, sondern gezielt auszunutzen.

Riesenatome mit eingebautem Echo

Das Konzept der Riesenatome wurde vor gut einem Jahrzehnt in Göteborg geprägt. Anders als ein natürliches Atom koppelt ein Riesenatom nicht nur an einem Punkt an eine elektromagnetische oder akustische Welle. Es besitzt mehrere räumlich getrennte Kopplungspunkte.

Das führt zu einem ungewöhnlichen Effekt: Ein Signal, das an einer Stelle abgestrahlt wird, kann an einer anderen Stelle wieder auf das System zurückwirken. Anton Frisk Kockum beschreibt es so: „Wellen, die einen Verbindungspunkt verlassen, können sich durch die Umgebung ausbreiten und an einem anderen Punkt auf das Atom zurückwirken – ähnlich wie wenn man das Echo der eigenen Stimme hört, bevor man zu Ende gesprochen hat. Diese Selbstinteraktion führt zu äußerst vorteilhaften Quanteneffekten, reduziert die Dekohärenz und verleiht dem System eine Art Gedächtnis für vergangene Interaktionen.“

Physikalisch handelt es sich um eine Form nicht-lokaler Kopplung. Das System reagiert verzögert auf seine eigene Emission. Diese Rückkopplung kann bestimmte Zerfallsprozesse unterdrücken. In Experimenten wurden Riesenatome unter anderem mit supraleitenden Qubits realisiert, die an mehreren Punkten an eine Mikrowellenleitung gekoppelt sind.

Superatome: Viele werden eins

Parallel dazu wurde das Konzept der Superatome untersucht. Dabei teilen mehrere natürliche Atome einen gemeinsamen Quantenzustand. Sie reagieren auf Licht, als wären sie ein einziges, größeres Atom. Solche kollektiven Zustände sind aus der Quantenoptik bekannt, etwa im Zusammenhang mit sogenannter kollektiver Emission.

Superatome eignen sich besonders gut, um Verschränkung zu erzeugen. Verschränkung bedeutet, dass mehrere Qubits einen gemeinsamen Zustand bilden. Änderungen an einem Teil wirken sich sofort auf den anderen aus – auch über größere Distanzen hinweg. Für Quantenalgorithmen ist das eine Grundvoraussetzung.

Bisher ließen sich jedoch die Vorteile von Riesenatomen und Superatomen nicht in einem System vereinen.

Die Idee der Riesen-Superatome

Das Team aus Göteborg kombiniert nun beide Konzepte. Ein Riesen-Superatom besteht aus mehreren eng gekoppelten Einheiten, die selbst wie Riesenatome aufgebaut sind. Diese Struktur soll zwei Eigenschaften gleichzeitig liefern: Schutz vor Dekohärenz und effiziente Verschränkung.

„Ein Riesen-Superatom kann man sich als mehrere Riesenatome vorstellen, die als eine Einheit zusammenarbeiten und eine nicht-lokale Wechselwirkung zwischen Licht und Materie aufweisen. Dadurch können Quanteninformationen von mehreren Qubits in einer Einheit gespeichert und gesteuert werden, ohne dass immer komplexere Schaltkreise erforderlich sind“, erklärt Lei Du.

Licht-Materie-Wechselwirkung

Das Entscheidende ist die kontrollierte Licht-Materie-Wechselwirkung. Die Forschenden beschreiben zwei Betriebsarten:

• In einer Variante sind mehrere Riesen-Superatome dicht gekoppelt. Quanteninformationen lassen sich zwischen ihnen übertragen, ohne dass sie durch die Umgebung verloren gehen.
• In einer zweiten Konfiguration sind die Einheiten räumlich getrennt, aber phasenstabil aufeinander abgestimmt. Dadurch bleiben die Wellen in Phase. Verschränkung kann gezielt in bestimmte Richtungen verteilt werden. Das eröffnet Perspektiven für Quantennetzwerke.

Weniger Hardware, mehr Design

Ein zentrales Argument des Teams lautet: Intelligentes Systemdesign kann die technische Komplexität reduzieren. Anstatt immer mehr Kontrollleitungen und Fehlerkorrekturschaltungen zu integrieren, soll die Architektur selbst robuster werden.

„Riesen-Superatome eröffnen völlig neue Möglichkeiten und geben uns ein leistungsfähiges neues Werkzeug an die Hand. Sie ermöglichen es uns, Quanteninformationen zu steuern und Verschränkungen auf eine Weise zu erzeugen, die bisher extrem schwierig oder sogar unmöglich war“, sagt Janine Splettstoesser.

Und Anton Frisk Kockum ergänzt: „Derzeit besteht großes Interesse an hybriden Ansätzen, bei denen verschiedene Quantensysteme zusammenarbeiten, da jedes seine eigenen Stärken hat. Unsere Forschung zeigt, dass durch intelligentes Design der Bedarf an immer komplexerer Hardware reduziert werden kann und dass riesige Superatome uns der praktisch anwendbaren Quantentechnologie einen Schritt näher bringen.“

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