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„Je mehr Speicherelemente und je mehr Rechenkerne, desto leistungsfähiger.“ Diese Klassifizierung ist aus der Leistungsbeschreibung von klassischen Computern wohlbekannt. Noch mehr trifft dies auf Quantencomputer und Quantensimulatoren zu. Denn erst bei einer ausreichend großen Zahl von Speicherzellen für die Quanteninformation – man spricht dabei in Anlehnung an Bits als die klassischen Informationseinheiten hier von Quantenbits oder Qubits – können diese neuartigen Rechenwerke ihr volles Potenzial ausschöpfen.

Entsprechend wird weltweit intensiv daran geforscht, neuartige technologische Plattformen für Quantencomputer und Quantensimulatoren zu entwickeln, die es ermöglichen, die Zahl der Qubits mit einem vertretbaren Einsatz der dafür erforderlichen zusätzlichen Ressourcen zu erhöhen. Gefordert ist also eine möglichst effiziente Skalierbarkeit der zugrundeliegenden Quantenprozessoren, so TU Darmstadt in einer Pressemeldung.

Neue Impulse

In diesem weltweiten Wettstreit kann das Institut für Angewandte Physik der Technischen Universität Darmstadt nun neue Impulse setzen: Durch das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Förderprogramms „Quantentechnologien“ mit insgesamt 3,3 Millionen Euro geförderten Projekts „Darmstadt-Neutralatom-QuantenTechnologie-Plattform (DaNaQTP)“ kann die Arbeitsgruppe um Professor Gerhard Birkl ihre im internationalen Vergleich besonders ambitionierte Architektur für Quantenprozessoren erheblich weiterentwickeln und das Potenzial für die Skalierbarkeit voll ausspielen. Der Ansatz beruht auf einer Kombination der modernsten Verfahren der optischen Technologie mit den fortschrittlichsten Methoden der Quantenoptik, die eine skalierbare Manipulation von Quantenzuständen ermöglichen.

Funktionsweise des Systems

Basierend auf lithografisch hergestellten Mikrolinsensystemen werden mit Laserlicht zweidimensionale Speicherarchitekturen für individuelle neutrale Atome erzeugt. Jedes einzelne Atom speichert ein Qubit, womit das physikalisch erreichbare Limit des Materialeinsatzes für ein Qubit erreicht wird. In DaNaQTP kann jedes Atom gezielt mit Quanteninformation beschrieben werden – und diese lässt sich kontrolliert wieder auslesen. Die nötige Steuerung eines Qubits durch ein weiteres Qubit – notwendig für die Verarbeitung der Quanteninformation im Quantenprozessor – wird durch die Wechselwirkung der Atome in hochliegenden Zuständen, sogenannten Rydberg-Zuständen, erreicht.

Vielversprechende Skalierbarkeit

Die zentralen Ziele des Projekts bestehen zum einen darin, den in Darmstadt bereits demonstrierten Quantenspeicher zu einem funktionalen Quantenprozessor mit 100 interagierenden Qubits zu erweitern, und zum anderen darin, die Zahl der Speicherzellen für Qubits erheblich zu steigern. Dabei kommt das große Innovationspotenzial des DaNaQTP-Ansatzes zum Tragen: Der nächste Schritt mit einer Skalierung auf 1000 Qubits soll während der Projektlaufzeit erreicht werden.

Die verwendete technologische Basis weist bereits jetzt den Weg zu Quantenprozessoren mit 100.000 voll kontrollierbaren Qubits. Diese Skalierbarkeit kann derzeit nur von wenigen anderen Plattformen so explizit vorhergesagt werden.

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