Intelligenter Verstärker ebnet Weg für größere Quantencomputer
Neuer Qubit-Verstärker aus Schweden spart Energie und reduziert Störungen – ideal für größere und stabilere Quantencomputer.
Forscher der Chalmers University of Technology in Schweden haben einen hocheffizienten Verstärker entwickelt, der nur beim Auslesen von Informationen aus Qubits aktiviert wird.
Foto: Chalmers University of Technology | Yin Zeng | Maurizio Toselli
Ein neuer Verstärker aus Schweden reduziert den Energieverbrauch bei der Auslesung von Qubits um 90 %. Das Verfahren könnte helfen, größere und stabilere Quantencomputer zu bauen. Er wird nur bei Bedarf aktiviert und reagiert extrem schnell – das senkt Störungen und verbessert die Skalierbarkeit von Quantenprozessoren.
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Quantencomputer brauchen Verstärker – doch die stören oft mehr, als sie helfen
Quantencomputer gelten als Hoffnungsträger für komplexe Probleme: Sie sollen in Zukunft neue Medikamente schneller entwickeln, sichere Verschlüsselungssysteme ermöglichen oder Lieferketten effizienter steuern. Möglich wird das durch sogenannte Qubits – die Grundbausteine eines Quantenrechners.
Anders als klassische Bits, die nur den Zustand 0 oder 1 annehmen, können Qubits beide Zustände gleichzeitig darstellen. Dieses Prinzip, die Superposition, ermöglicht es, mit nur 20 Qubits mehr als eine Million Zustände gleichzeitig zu repräsentieren.
Doch so faszinierend das klingt: Der praktische Einsatz von Quantencomputern hat mit großen technischen Herausforderungen zu kämpfen. Eine davon ist das zuverlässige Auslesen der Qubits. Denn dafür braucht es hochsensible Mikrowellenverstärker, die schwache Signale erkennen und verstärken. Genau diese Verstärker erzeugen jedoch oft Störungen – etwa Hitze oder Rauschen – die den empfindlichen Quantenzustand der Qubits zerstören. Fachleute sprechen hier von Dekohärenz.
Verstärker nur bei Bedarf: Ein neues Konzept aus Schweden
Forschende der Chalmers University of Technology haben nun eine Schaltung entwickelt, die genau hier ansetzt: ein pulsgesteuerter Verstärker, der nur dann aktiviert wird, wenn tatsächlich ein Qubit gelesen werden soll.
„Dies ist der empfindlichste Verstärker, der heute mit Transistoren gebaut werden kann“, erklärt Yin Zeng, Doktorand im Bereich Terahertz- und Millimeterwellentechnologie an der Chalmers University. Und weiter: „Wir haben es geschafft, seinen Stromverbrauch auf nur ein Zehntel des Verbrauchs der besten Verstärker von heute zu senken – ohne Kompromisse bei der Leistung.“
Statt permanent aktiv zu sein, wie es bei bisherigen Systemen üblich ist, reagiert der neue Verstärker blitzschnell auf eingehende Signale. Die Reaktionszeit liegt bei nur 35 Nanosekunden – schnell genug, um mit dem extrem kurzen Zeitfenster der Quantenimpulse Schritt zu halten.
Warum weniger Stromverbrauch so wichtig ist
Je größer ein Quantencomputer wird, desto mehr Qubits enthält er – und desto mehr Verstärker sind nötig. Das Problem: Jeder einzelne Verstärker erzeugt Hitze. Diese Wärme kann den Quantenzustand beeinträchtigen und die Auslesegenauigkeit verschlechtern. Bei Hunderten oder gar Tausenden von Qubits wird das zur echten Hürde.
„Diese Studie bietet eine Lösung für die zukünftige Skalierung von Quantencomputern, bei denen die von diesen Qubit-Verstärkern erzeugte Wärme einen wesentlichen limitierenden Faktor darstellt“, sagt Jan Grahn, Professor für Mikrowellenelektronik an der Chalmers University.
Mit dem neuen Design sinkt der Energieverbrauch deutlich – das verbessert die Gesamtstabilität des Systems. Und genau das ist entscheidend, wenn Quantencomputer künftig mehr als nur einzelne Rechenoperationen ausführen sollen.
Wie der Verstärker lernt, wann er gebraucht wird
Das Team aus Göteborg hat nicht nur eine energiesparende Schaltung entwickelt, sondern auch einen Algorithmus, der erkennt, wann ein Qubit-Signal eintrifft. Um den Verstärker entsprechend zu steuern, setzten die Forschenden auf genetische Programmierung – eine Methode, bei der sich Softwarelösungen ähnlich wie in der natürlichen Evolution verbessern.
So konnten sie ein Steuerungssystem entwickeln, das extrem schnell reagiert – ohne unnötige Energie zu verschwenden. Parallel dazu erarbeiteten sie eine neue Messtechnik, um Rauschen und Verstärkung im Pulsmode genau zu bestimmen. Diese Innovation wurde in der Fachzeitschrift IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques veröffentlicht.
Ein Schritt auf dem Weg zu skalierbaren Quantenrechnern
Die neue Entwicklung ist Teil des schwedischen Wallenberg Centre for Quantum Technology, das sich seit Jahren mit der praktischen Umsetzung von Quantencomputern beschäftigt. Ziel ist es, Systeme mit deutlich mehr Qubits zu realisieren – etwa für Optimierungsprobleme, KI-Anwendungen oder Materialforschung.
Doch je größer die Systeme, desto empfindlicher reagieren sie auf äußere Einflüsse. Das macht Technologien wie den neuartigen Verstärker besonders relevant.
Ob der Prototyp bald in kommerziellen Quantenprozessoren auftaucht, ist offen. Aber der Ansatz zeigt, dass es gelingen kann, technische Limitierungen wie Energieverbrauch und Dekohärenz gezielt anzugehen.
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