Trotz bester Reinräume und Produktionsprozesse — keine zwei Qubits gleichen einander, es gibt immer kleinste Abweichungen. Doch ist dies ein Manko für den Bau eines Quantencomputers oder, ganz im Gegenteil, eine essentielle Voraussetzung?
Diese Frage stellt sich insbesondere für die weltweit am weitesten fortgeschrittene und von Industriegiganten wie IBM und Google favorisierte Realisierung von Quanten-Hardware, die sogenannten Transmon Qubits. Für diese Systeme hat sich herausgestellt, dass nicht nur zu viel Unordnung das ganze System stabilisiert, zu wenig auch; synthetisch realisierte Fehlertoleranzen sind integraler Bestandteil ihrer Produktion. Ein Transmon Qubit kann man sich wie eine Art Pendel vorstellen. Zu einem Computer vernetzte Qubits bilden ein System gekoppelter Pendel — eine Struktur, die sich wie klassische Pendel leicht zu unkontrollierbar großen Schwingungen mit desaströsen Konsequenzen anregen lässt. In der Quantenwelt manifestieren sich letztere in der Zerstörung von Quanteninformation; der Rechner wird schlichtweg unbrauchbar. Kontrolliert eingeführte lokale “Verstimmungen” einzelner Pendel aber halten dergleichen Phänomene in Schach.
Für die Untersuchung von Unordnung in supraleitenden Quantenrechnern haben sich theoretische Physiker an der Universtität zu Köln im Rahmen der Forschungsarbeiten am Exzellenzcluster ML4Q zusammen mit Spezialisten aus dem Forschungszentrum Jülich zusammengetan, um ihre Expertise in Transmon Hardware, numerischer Simulation komplexer Vielteilchensysteme und Quantenchaos zu bündeln. In einem in dieser Form weltweit einzigartigen Verbundprojekt widmet sich das Projektteam der Frage, wie sich Quanteninformation mit Unordnung optimal schützen lässt und ob sich gewonnene Einsichten in kleinen Systemen auf große übertragen lassen, um eine Anwendungsperspektive für Transmon Qubits zu eröffnen.
Die Ergebnisse der Studie sind im Open Access Archiv, Arxiv, veröffentlicht: https://arxiv.org/abs/2012.05923