Das Potenzial von Quantencomputern, Bereiche wie die Entwicklung neuer Materialien, die pharmazeutische Forschung und die künstliche Intelligenz zu revolutionieren, wird seit langem angekündigt. Die Fähigkeit dieser Maschinen, Berechnungen durchzuführen, die selbst die leistungsfähigsten klassischen Supercomputer überfordern, öffnet Türen zu ungeahnten wissenschaftlichen und technologischen Fortschritten. Die Realisierung dieses Potenzials hängt jedoch von der Überwindung erheblicher Hindernisse ab, die hauptsächlich mit der Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit von Quantenoperationen zusammenhängen.

Quantencomputer basieren auf Quantenbits oder Qubits, die im Gegensatz zu klassischen Bits (die 0 oder 1 sein können) gleichzeitig in einer Superposition beider Zustände existieren können. Sie können auch quantenverschränkt sein, was bedeutet, dass die Schicksale von zwei oder mehr Qubits unabhängig von ihrer Entfernung miteinander verbunden sind. Diese Eigenschaften ermöglichen es Quantencomputern, eine riesige Anzahl von Möglichkeiten parallel zu untersuchen, was ihnen einen exponentiellen Vorteil für bestimmte Problemklassen verschafft. Doch genau diese Quanteneigenschaften machen Qubits extrem empfindlich gegenüber äußeren Einflüssen und Umgebungsrauschen, was zu Fehlern und dem Verlust von Quanteninformationen führt – ein Prozess, der als Dekohärenz bekannt ist.

Die Herausforderung von Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit im Quantencomputing

Eine der zentralen Herausforderungen beim Bau funktionsfähiger Quantencomputer ist die Notwendigkeit, Operationen und Messungen (das Auslesen von Qubit-Zuständen) extrem schnell durchzuführen. Qubits haben eine begrenzte Lebensdauer, bekannt als Kohärenzzeit, während der sie ihre Quanteneigenschaften beibehalten. Alle Operationen, einschließlich derjenigen, die zur Fehlerkorrektur erforderlich sind, müssen innerhalb dieses kurzen Zeitfensters stattfinden, bevor die Quanteninformation unwiederbringlich verloren geht. Je schneller die Operationen sind, desto mehr können davon vor der Dekohärenz durchgeführt werden, was komplexere Berechnungen und effektivere Fehlerkorrekturprotokolle ermöglicht.

Der Prozess des Auslesens von Qubit-Zuständen ist besonders kritisch. Er beinhaltet die Interaktion des Qubits mit einem Messgerät, oft über Lichtteilchen (Photonen), um festzustellen, ob sich das Qubit im Zustand 0 oder 1 befindet. Die Effizienz und Geschwindigkeit dieses Prozesses hängen direkt von der Stärke der Wechselwirkung oder Kopplung zwischen dem Qubit (das als künstliches Atom Informationen speichert) und dem Photon (das diese Informationen überträgt) ab. Eine schwache Kopplung bedeutet ein langsameres und potenziell ungenaueres Auslesen, was einen Engpass in der gesamten Quantenberechnung darstellt.

Revolutionärer Durchbruch von Wissenschaftlern des MIT

Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben kürzlich einen bedeutenden Fortschritt bekannt gegeben, der Quantenoperationen und das Auslesen drastisch beschleunigen könnte. In einer gestern, am 30. April 2025, in der renommierten Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlichten Arbeit demonstrierte das Team die ihrer Meinung nach stärkste nichtlineare Licht-Materie-Kopplung, die jemals in einem Quantensystem erreicht wurde.

Diese Errungenschaft stellt einen entscheidenden Schritt zur Realisierung von Quantenoperationen und Ausleseprozessen dar, die innerhalb weniger Nanosekunden durchgeführt werden könnten – um Größenordnungen schneller als viele bestehende Ansätze. Das MIT-Team nutzte eine innovative Architektur supraleitender Schaltkreise, um eine nichtlineare Licht-Materie-Kopplung zu erzielen, die etwa eine Größenordnung (rund 10 Mal) stärker ist als frühere Demonstrationen. Eine solch signifikante Verstärkung der Kopplung könnte es einem Quantenprozessor ermöglichen, etwa zehnmal schneller zu arbeiten.

"Dies könnte wirklich einen der Engpässe im Quantencomputing beseitigen", erklärte Yufeng “Bright” Ye, Doktorand am MIT (SM ’20, PhD ’24) und Hauptautor der Studie. "Normalerweise müssen Sie die Ergebnisse Ihrer Berechnungen zwischen den Runden der Fehlerkorrektur messen. Dies könnte das Erreichen der Phase des fehlertoleranten Quantencomputings beschleunigen und es ermöglichen, tatsächlichen Wert und Anwendungen aus unseren Quantencomputern zu ziehen."

Innovation im Herzen des Durchbruchs: Der Quarton-Koppler

Die Grundlage dieses Erfolgs liegt in jahrelanger theoretischer Forschung innerhalb der Gruppe Quantum Coherent Electronics am MIT, geleitet von Kevin O’Brien, außerordentlicher Professor und leitender Forscher im Forschungslabor für Elektronik (RLE) am Fachbereich Elektrotechnik und Informatik (EECS). Nachdem Ye 2019 dem Labor beitrat, begann er mit der Entwicklung eines spezialisierten Photonendetektors mit dem Ziel, die Quanteninformationsverarbeitung zu verbessern.

Durch diese Arbeit erfand Ye eine neue Art von Quantenkoppler (Coupler), ein Gerät, das die Wechselwirkungen zwischen Qubits erleichtert. Dieses spezielle Gerät, genannt "Quarton-Koppler" (Quarton Coupler), zeigte ein enormes Potenzial für die Anwendung in Quantenoperationen und beim Auslesen und wurde schnell zum Forschungsschwerpunkt des Labors.

Der Quarton-Koppler ist eine spezielle Art von supraleitendem Schaltkreis, der darauf ausgelegt ist, extrem starke nichtlineare Kopplungen zu erzeugen. Nichtlinearität bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das Verhalten des Systems über die einfache Summe seiner Teile hinausgeht und komplexere Wechselwirkungseigenschaften aufweist. Bei Quantenalgorithmen sind oft gerade die nichtlinearen Wechselwirkungen entscheidend. Durch Erhöhung des Stroms, der dem Quarton-Koppler zugeführt wird, können die Forscher eine noch stärkere nichtlineare Wechselwirkung induzieren.

"Die meisten nützlichen Wechselwirkungen im Quantencomputing entstehen aus der nichtlinearen Kopplung von Licht und Materie. Wenn man ein vielseitigeres Spektrum verschiedener Kopplungstypen erreichen und deren Stärke erhöhen kann, dann kann man im Grunde die Verarbeitungsgeschwindigkeit des Quantencomputers erhöhen", erklärt Ye.

Architektur des Experiments und Wirkungsmechanismus

Der experimentelle Aufbau, den die Forscher am MIT entworfen haben, besteht aus einem Chip, auf dem sich zwei supraleitende Qubits befinden, die durch einen Quarton-Koppler verbunden sind. Eines der Qubits ist so konfiguriert, dass es als Resonator fungiert (eine Komponente, die mit einer bestimmten Frequenz schwingt), während das andere als künstliches Atom dient, das Quanteninformationen speichert (im Zustand 0 oder 1). Die Information wird mittels Mikrowellenlichtteilchen, also Photonen, übertragen und ausgelesen.

Der Ausleseprozess funktioniert, indem Mikrowellenlicht auf das Qubit gerichtet wird. Abhängig vom Quantenzustand des Qubits (0 oder 1) kommt es zu einer kleinen Verschiebung der Resonanzfrequenz des zugehörigen Resonators. Durch Messung dieser Frequenzverschiebung können Wissenschaftler den Zustand des Qubits präzise bestimmen. Der Schlüssel zur Geschwindigkeit und Genauigkeit dieser Messung ist die nichtlineare Licht-Materie-Kopplung zwischen dem Qubit und dem Resonator, die der Quarton-Koppler signifikant verstärkt.

"Die Wechselwirkung zwischen diesen supraleitenden künstlichen Atomen und dem Mikrowellenlicht, das das Signal lenkt, ist die Grundlage dafür, wie der gesamte supraleitende Quantencomputer aufgebaut ist", erklärt Ye. Genau der Quarton-Koppler ermöglicht die zehnfach stärkere nichtlineare Kopplung in dieser Architektur.

Implikationen für schnelleres Auslesen und Quantenoperationen

Die erreichte Stärke der nichtlinearen Licht-Materie-Kopplung ebnet den Weg zu Quantensystemen mit blitzschnellem Auslesen, gemessen in Nanosekunden. Diese drastische Verkürzung der für das Auslesen benötigten Zeit wirkt sich direkt auf die Fähigkeit des Quantencomputers aus, mehr Operationen innerhalb der begrenzten Kohärenzzeit der Qubits durchzuführen.

Aber die Geschichte endet hier nicht. "Diese Arbeit ist nicht das Ende der Geschichte. Dies ist eine Demonstration fundamentaler Physik, aber in der Gruppe wird nun daran gearbeitet, wirklich schnelles Auslesen zu realisieren", sagt O'Brien. Dies beinhaltet das Hinzufügen zusätzlicher elektronischer Komponenten wie Filter, um einen vollständigen Ausleseschaltkreis zu erstellen, der in größere Quantensysteme integriert werden könnte.

Darüber hinaus demonstrierten die Forscher in ihrem Experiment auch eine extrem starke Materie-Materie-Kopplung. Dies ist eine andere Art von Wechselwirkung, nämlich die zwischen den Qubits selbst, die fundamental für die Durchführung von Quantenlogikoperationen (Quantengatter) ist, welche die Grundlage von Quantenalgorithmen bilden. Eine stärkere Materie-Materie-Kopplung bedeutet auch eine schnellere Ausführung dieser Operationen. Dies ist ein weiteres Gebiet, das das Team in zukünftigen Arbeiten detaillierter untersuchen will.

Ein Schritt hin zu fehlertoleranten Quantencomputern

Schnelle Operationen und schnelles Auslesen sind nicht nur eine Frage der Effizienz; sie sind entscheidend für das Erreichen des Endziels – den Bau eines fehlertoleranten Quantencomputers (fault-tolerant quantum computer). Aufgrund der inhärenten Fragilität von Qubits und des unvermeidlichen Rauschens erzeugen Quantencomputer ständig Fehler. Das Konzept der Fehlertoleranz beruht auf der Verwendung von Quantenfehlerkorrekturcodes (QEC), bei denen die Information eines logischen Qubits mithilfe mehrerer physikalischer Qubits kodiert wird.

QEC-Protokolle erfordern periodische Messungen der Zustände von Hilfsqubits, um Fehler zu erkennen und zu korrigieren, ohne die kodierte Quanteninformation selbst zu zerstören. Je schneller die Operationen und Auslesungen sind, desto mehr QEC-Zyklen können innerhalb der Kohärenzzeit durchgeführt werden, wodurch die Gesamtfehlerrate der Berechnung drastisch reduziert wird.

"Je mehr Runden der Fehlerkorrektur Sie durchführen können, desto geringer wird der Fehler in den Ergebnissen sein", betont Ye. Die stärkere nichtlineare Kopplung, die durch den Quarton-Koppler ermöglicht wird, trägt direkt zu einem schnelleren Betrieb des Quantenprozessors mit einer geringeren Fehlerrate bei und bringt uns der Ära der praktischen, zuverlässigen Quantenverarbeitung im großen Maßstab näher.

Obwohl noch viel Arbeit erforderlich ist, bevor diese Architektur in echten, großen Quantencomputern implementiert werden kann, stellt die Demonstration der grundlegenden physikalischen Prinzipien, die eine ultraschnelle Kopplung ermöglichen, einen bedeutenden wissenschaftlichen und technischen Schritt dar. Diese Arbeit, unterstützt vom U.S. Army Research Office, dem AWS Center for Quantum Computing und dem MIT Center for Quantum Engineering, ebnet den Weg für zukünftige Quantentechnologien, die einige der anspruchsvollsten Probleme der Welt lösen könnten.

Quelle: Massachusetts Institute of Technology