Forscher erzeugen Hybridsystem mit verschiedenen Quantenbit-Arten

Unterschiedliche Arten von Quantenbits

„Quantenbits lassen sich genau wie klassische Bits in verschiedenen technischen Ausführungen realisieren“, erklärt Prof. Dr. Andreas Wieck, Leiter des Bochumer Lehrstuhl für Angewandte Festkörperphysik.

Es gibt sie beispielsweise in Form von einzelnen frei schwebenden Atomen, in Form von Spinzuständen oder als transistor-ähnliche Elektronenpfützen. Sie können aber auch als Quantenpunkte umgesetzt werden; dabei handelt es sich um Elektronen, die in einem begrenzten Bereich eines Halbleiters eingesperrt werden.

„Da die Halbleitertechnologie bereits weit entwickelt ist, bietet es sich an, diese Plattform zur Herstellung von Qubits zu nutzen“, sagt der Bochumer Physiker Dr. Arne Ludwig.

Zwei Arten von Quantenpunkten gelten als besonders leistungsfähig: die LD-Qubits, benannt nach ihren Erfindern Daniel Loss und David DiVicenzo, und die Single-Triplett-Qubits, kurz auch ST-Qubits genannt. Beide haben unterschiedliche Vor- und Nachteile: Mit LD-Qubits lassen sich Informationen nur langsam schreiben und auslesen; dafür können sie Informationen über eine lange Zeit speichern.

ST-Qubits sind quasi das Gegenteil: Sie lassen sich schnell initialisieren, können also schnell Informationen einspeichern, und lassen sich auch schnell wieder auslesen. Allerdings können sie Informationen nicht lange stabil speichern.

Vorteile kombinieren

Um die Vorteile beider Quantenbit-Typen nutzen zu können, kombinierten die Forscher sie in einem Hybrid-System. Die Halbleiter dafür stellte das Team der Ruhr-Universität Bochum her. Die Gruppe zeigte, dass sich Informationen zwischen den beiden Qubit-Arten durch das quantenphysikalische Phänomen der Verschränkung übertragen lassen – und zwar in nur 5,5 Nanosekunden.

So konnte die im LD-Qubit gespeicherte Information durch das schnelle ST-Qubit ausgelesen werden. „Das ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einer leistungsfähigen Quantencomputerarchitektur, die Daten schnell verarbeiten kann“, resümiert Andreas Wieck.

Prof. Dr. Andreas Wieck
Lehrstuhl für Angewandte Festkörperphysik
Fakultät für Physik und Astronomie
Ruhr-Universität Bochum
Tel.: 0234 32 26726
E-Mail: andreas.wieck@rub.de

Dr. Arne Ludwig
Lehrstuhl für Festkörperphysik
Fakultät für Physik und Astronomie
Ruhr-Universität Bochum
Tel.: 0234 32 25864
E-Mail: arne.ludwig@rub.de

Akito Noiri et al.: A fast quantum interface between different spin qubit encodings, in: Nature Communications, 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-07522-1