Stationäre Qubits sind ein Schlüsselelement der modernen Quantentechnologie. Sie bezeichnen quantenmechanische Zwei-Niveau-Systeme, die in einem physikalisch lokalisierten Medium gespeichert und kontrolliert werden. Im Gegensatz zu fliegenden Qubits, die primär für die Übertragung von Information genutzt werden, dienen stationäre Qubits vor allem der Verarbeitung und langfristigen Speicherung von Quanteninformation. Diese Einleitung erläutert die Grundlagen, den begrifflichen Rahmen und die technologische Bedeutung stationärer Qubits.

Begriffsklärung: Was sind stationäre Qubits?

Definition

Stationäre Qubits sind physikalische Systeme, in denen die Zustände eines Qubits dauerhaft an einen Ort gebunden sind. Ein Qubit wird durch ein Überlagerungszustand zweier Basiszustände beschrieben, etwa

|\psi\rangle = \alpha |0\rangle + \beta |1\rangle

mit komplexen Amplituden \alpha und \beta, für die gilt:

|\alpha|^2 + |\beta|^2 = 1.

Diese Zustände werden in Materiesystemen realisiert, wie gefangenen Ionen, supraleitenden Schaltkreisen oder Spins in Festkörpern. Charakteristisch ist, dass die Wellenfunktion an einem festen Ort lokalisiert bleibt. Somit kann der Zustand über längere Zeiträume hinweg adressiert und manipuliert werden.

Abgrenzung zu fliegenden Qubits

Fliegende Qubits sind mobile Informationsträger, typischerweise einzelne Photonen oder propagierende Elektronenwellenpakete. Sie bewegen sich durch Fasern oder Wellenleiter und sind ideal für den Transport von Quanteninformation geeignet. Stationäre Qubits hingegen verbleiben im Rechenmodul oder Speicher. Der zentrale Unterschied betrifft also die Funktionalität:

  • Fliegende Qubits: Übertragung und Distribution von Zuständen über Distanzen.
  • Stationäre Qubits: Speicherung, Verarbeitung und Fehlerkorrektur vor Ort.

Ein hybrides System kombiniert beide Typen, indem stationäre Qubits als Speicher dienen und fliegende Qubits die Verschränkung oder Kommunikation vermitteln.

Relevanz für Quantenkommunikation und Quantencomputing

Stationäre Qubits bilden das Rückgrat vieler aktueller Quantencomputing-Plattformen. Ihre Fähigkeit, über Mikro- oder Millisekunden kohärent zu bleiben, ist entscheidend für die Durchführung komplexer Quantenalgorithmen. In der Quantenkommunikation fungieren sie als stationäre Speicher innerhalb von Quantenrepeatern. Diese Repeater ermöglichen es, die Verschränkung zwischen entfernten Stationen zu verlängern, indem sie den Verschränkungszustand zwischen fliegenden Photonen und stationären Speichern koppeln. Ohne stationäre Qubits wären Skalierbarkeit und Fehlerkorrektur in großen Quantenprozessoren nicht realisierbar.

Bedeutung stationärer Qubits für die Quantentechnologie

Rolle in aktuellen Architekturen

Fast alle großen Quantencomputerprojekte setzen stationäre Qubits als Recheneinheiten ein. Beispiele sind:

  • Supraleitende Transmon-Qubits bei IBM und Google.
  • Gefangene Ionen bei IonQ und Honeywell.
  • Spins in Halbleitern bei QuTech und der University of New South Wales.

Diese Architekturen basieren darauf, dass viele stationäre Qubits in zweidimensionalen oder dreidimensionalen Arrays angeordnet werden. Die Kopplung erfolgt über Mikrowellen, Laser oder elektrische Felder. Durch die kontrollierte Wechselwirkung entstehen Gate-Operationen zwischen Nachbar-Qubits.

Vorteile stationärer Zustände (z. B. längere Kohärenzzeiten)

Stationäre Qubits bieten mehrere Vorteile:

  • Lange Kohärenzzeiten: Gefangene Ionen erreichen Kohärenzzeiten bis zu mehreren Minuten. Spin-Qubits in Diamant können Verschränkungszustände über Millisekunden halten. Das erlaubt viele Gate-Operationen, bevor Dekohärenz eintritt.
  • Präzise Lokalisierung: Der Zustand ist lokal mess- und steuerbar. Dies ist entscheidend für den Betrieb fehlerkorrigierender Codes.
  • Skalierbarkeit: Durch Mikrostrukturierung lassen sich große Arrays stationärer Qubits fertigen, etwa Chip-basierte supraleitende Qubit-Gitter.
  • Integration mit klassischen Kontrollsystemen: Stationäre Qubits können mit CMOS-Technologie kombiniert werden, um Signale zu erzeugen und auszuwerten.

Übersicht bekannter Implementierungsplattformen

Heute dominieren drei Plattformen die Forschung und Entwicklung:

  • Supraleitende Qubits (Transmons, Flux-Qubits): Hierbei handelt es sich um Mikrowellenschwingkreise, die sich in quantisierte Energieniveaus versetzen lassen. Ein Transmon-Qubit hat als Energieunterschied zwischen den Zuständen typischerweise\hbar \omega_{01} \approx 5 - 7, \text{GHz}.
  • Ionenfallen-Qubits: Elektrisch geladene Atome werden in elektromagnetischen Feldern gefangen und mit Laserimpulsen manipuliert.
  • Spin-Qubits in Festkörpern: Zum Beispiel Elektronenspins in Quantenpunkten oder NV-Zentren in Diamant. Diese Spins lassen sich mit Mikrowellen anregen und auslesen.

Daneben existieren weitere vielversprechende Ansätze, etwa Atom-Arrays oder topologische Qubits. Die Vielfalt spiegelt die Dynamik der Forschung wider und zeigt, dass stationäre Qubits ein zentrales Fundament für künftige Quantentechnologien bilden.

Theoretische Grundlagen stationärer Qubits

Stationäre Qubits gründen auf den fundamentalen Prinzipien der Quantenmechanik. Ihre physikalischen Eigenschaften und die Mechanismen zu ihrer Steuerung unterscheiden sich jedoch deutlich von klassischen Bits oder mobilen Qubits. Dieser Abschnitt erläutert die theoretischen Grundlagen und hebt den physikalischen Vergleich zu fliegenden Qubits hervor.

Quantenmechanische Prinzipien

Superposition

Das zentrale Merkmal jedes Qubits ist die Fähigkeit, sich in einer Superposition zweier Basiszustände zu befinden. Formal lässt sich der Zustand schreiben als:

|\psi\rangle = \alpha |0\rangle + \beta |1\rangle

Hierbei sind \alpha und \beta komplexe Amplituden, die die Wahrscheinlichkeit für das jeweilige Messergebnis bestimmen. Die Superposition bedeutet, dass das Qubit gleichzeitig im Zustand |0\rangle und |1\rangle existiert, bis eine Messung vorgenommen wird.

In stationären Qubits wird die Superposition typischerweise durch kontrollierte Mikrowellen- oder Laseranregungen erzeugt. Ein klassisches Beispiel ist ein Rabi-Oszillationsexperiment, bei dem ein kontinuierlicher Anregungspuls den Zustand periodisch zwischen |0\rangle und |1\rangle oszillieren lässt. Die Wahrscheinlichkeit, den Zustand |1\rangle nach einer Zeit t zu messen, lautet:

P_{|1\rangle}(t) = \sin^2\left(\frac{\Omega t}{2}\right)

mit \Omega als Rabi-Frequenz.

Verschränkung

Stationäre Qubits können durch gezielte Wechselwirkung in verschränkte Zustände gebracht werden. Verschränkung bedeutet, dass der Zustand des einen Qubits nicht unabhängig vom Zustand des anderen beschrieben werden kann. Ein Beispiel ist der Bell-Zustand:

|\Phi^+\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}}\left(|00\rangle + |11\rangle\right)

Solche Zustände sind Grundlage für Quantenfehlerkorrektur und Quantenkommunikation. In der Praxis wird Verschränkung in stationären Qubits oft durch Kopplung via Resonatoren, gemeinsame Moden (z. B. in Ionenfallen) oder direkte Wechselwirkung (z. B. in supraleitenden Schaltkreisen) hergestellt.

Dekohärenz

Die Dekohärenz bezeichnet den Verlust quantenmechanischer Kohärenz durch Wechselwirkung mit der Umgebung. Sie führt dazu, dass die Superposition in eine klassische Wahrscheinlichkeitsmischung übergeht. Mathematisch kann man diesen Prozess mit einer Dichtematrix \rho beschreiben:

\rho(t) = \begin{pmatrix}\rho_{00}(0) & \rho_{01}(0)e^{-t/T_2} \\rho_{10}(0)e^{-t/T_2} & \rho_{11}(0)\end{pmatrix}

Hierbei kennzeichnet T_2 die Kohärenzzeit, nach der die Off-Diagonal-Elemente (Kohärenz) verschwinden. Stationäre Qubits sind besonders empfindlich gegenüber Dekohärenz durch thermisches Rauschen, magnetische Fluktuationen oder Materialdefekte. Ein zentrales Ziel der Technologieentwicklung ist daher, die Kohärenzzeit T_2 möglichst groß zu machen.

Quanten-Zustandskontrolle

Manipulation von Basiszuständen

Um Quantenalgorithmen auszuführen, müssen stationäre Qubits präzise manipuliert werden. Die fundamentale Operation ist die Rotation auf der Bloch-Kugel, die einen allgemeinen Zustand erzeugt. Eine Ein-Qubit-Rotation lässt sich als unitärer Operator darstellen:

R(\hat{n},\theta) = e^{-i \frac{\theta}{2} (\hat{n}\cdot\vec{\sigma})}

Hier bezeichnet \hat{n} die Rotationsachse und \vec{\sigma} = (\sigma_x, \sigma_y, \sigma_z) die Pauli-Matrizen. In der Praxis werden solche Rotationen durch Mikrowellenpulse (supraleitende Qubits) oder Laserimpulse (Ionenfallen) realisiert.

Gatteroperationen

Neben Einzel-Qubit-Manipulationen braucht man Zwei-Qubit-Gatter, um universelle Quantenberechnungen zu ermöglichen. Ein wichtiger Baustein ist das kontrollierte-NOT-Gatter (CNOT), das formal definiert ist durch:

\text{CNOT}|c,t\rangle = \begin{cases} |c, t\rangle & \text{falls } c=0 \ |c, 1 \oplus t\rangle & \text{falls } c=1 \end{cases}

Die physikalische Implementierung geschieht bei stationären Qubits durch:

  • Gemeinsame Bus-Resonatoren (supraleitende Qubits)
  • Gemeinsame Schwingungsmoden (Ionenfallen)
  • Direkt gekoppelte Spins

Zwei-Qubit-Gatter sind entscheidend für die Erzeugung von Verschränkung und damit für alle komplexeren Algorithmen.

Fehlerkorrekturkonzepte

Jede reale Qubit-Plattform leidet unter Rauschen. Deshalb ist Quantenfehlerkorrektur ein unverzichtbares Konzept. Ein Beispiel ist der Surface Code, bei dem physikalische Qubits zu logischen Qubits zusammengefasst werden. Die Idee: Durch periodische Syndrome-Messung kann der Zustand rekonstruiert werden. Die Fehlerrate p muss dabei unterhalb einer Schwelle liegen, z. B.:

p < p_{\text{threshold}} \approx 1%

Stationäre Qubits sind hier im Vorteil, da sie lange kohärent bleiben und präzise ausgelesen werden können.

Stationäre vs. mobile Qubits: Vergleich der Physik

Lokale Speicherung vs. Übertragung

Stationäre Qubits sind in einem festen Gitter oder Chip gebunden und jederzeit adressierbar. Mobile Qubits hingegen bewegen sich durch Kanäle oder Fasern. Die wichtigsten Unterschiede:

Aspekt Stationäre Qubits Mobile Qubits
Hauptaufgabe Speicherung, Verarbeitung Transport, Distribution
Kohärenz Minuten (Ionen), Millisekunden (Transmons) Mikrosekunden bis Millisekunden
Kontrolle Lokale Pulssequenzen Routing, optische Elemente
Typische Plattformen Supraleiter, Ionen, Spins Photonen, Elektronenwellenpakete

Kopplungsmechanismen

Stationäre Qubits koppeln über lokale Felder oder gemeinsame Moden. Beispiele:

  • Kopplung an Resonator: H = \hbar g (a^\dagger \sigma^- + a \sigma^+)
  • Direktes Ising-artiges Wechselwirkungsglied: H_{\text{int}} = J \sigma_z^{(1)} \sigma_z^{(2)}

Mobile Qubits koppeln dagegen meist über interferometrische Prozesse (Photonen) oder Tunnelbarrieren (Elektronen).

Transferprotokolle

Die Verbindung stationärer Qubits über Distanz erfordert spezielle Protokolle:

Dabei werden Photonen als Transportmedium genutzt, während die stationären Qubits die Speicherfunktion übernehmen. Ein bekanntes Schema ist die Quanten-Teleportation:

  1. Sender verschränkt seinen Qubit mit einem Photon.
  2. Das Photon wird übertragen und mit einem Ziel-Qubit interferiert.
  3. Eine Bell-Messung projiziert den Zustand.
  4. Ein klassisches Signal erlaubt Rekonstruktion des ursprünglichen Zustands.

Dieses Zusammenspiel bildet die Grundlage für skalierbare Quantenkommunikationsnetze.

Technologische Realisierungen stationärer Qubits

Stationäre Qubits werden auf unterschiedlichen physikalischen Plattformen realisiert. Jede dieser Technologien besitzt eigene Vorteile, Limitationen und Entwicklungsstände. Dieser Abschnitt stellt die wichtigsten Ansätze vor und vergleicht ihre Eigenschaften.

Supraleitende Qubits

Supraleitende Qubits basieren auf makroskopischen Quantenzuständen in supraleitenden Schaltkreisen. Diese Technologie wird derzeit unter anderem von IBM, Google und Rigetti entwickelt und gehört zu den am weitesten fortgeschrittenen Plattformen.

Transmon-Qubits

Der Transmon-Qubit ist die am häufigsten eingesetzte Variante. Er basiert auf dem Josephson-Effekt, der es ermöglicht, nichtlineare Induktivitäten zu realisieren. Ein Transmon ist ein supraleitender Schwingkreis mit Kapazität C und Josephson-Energie E_J. Die Hamiltonfunktion lautet:

H = 4 E_C (n - n_g)^2 - E_J \cos(\phi)

mit E_C = \frac{e^2}{2C}. Durch die Wahl eines großen E_J / E_C-Verhältnisses wird die Empfindlichkeit gegenüber Ladungsrauschen reduziert.

Transmon-Qubits haben typischerweise:

  • Frequenzen: 4–8 GHz
  • Kohärenzzeiten T_1 und T_2: 50–200 Mikrosekunden
  • Gatezeiten: 10–50 Nanosekunden

Diese Parameter ermöglichen hochpräzise Steuerung und Skalierung auf Dutzende bis Hunderte Qubits.

Flux- und Charge-Qubits

Vorläufer des Transmon sind Flux- und Charge-Qubits:

  • Flux-Qubit: Der Zustand basiert auf dem Richtungssinn eines persistenten Stroms in einem supraleitenden Ring. Zwei Stromrichtungen kodieren |0\rangle und |1\rangle.
  • Charge-Qubit: Realisierung über die Anzahl von Cooper-Paaren auf einer Insel.

Beide Typen sind jedoch stärker rauschsensitiv als Transmons und werden heute meist nur noch zu Forschungszwecken eingesetzt.

Physikalische Implementierung

Supraleitende Qubits werden lithografisch auf Siliziumwafern gefertigt. Typische Elemente:

  • Josephson Junctions (Tunnelbarrieren aus Aluminiumoxid)
  • Resonatoren zur Kopplung und Messung
  • Kontrollleitungen für Mikrowellen- und DC-Signale

Die Chips werden in Verdünnungskryostaten auf Temperaturen unter 20 Millikelvin betrieben, um thermische Anregungen zu unterdrücken.

Ionenfallen-Qubits

Gefangene Ionen zählen zu den präzisesten stationären Qubit-Plattformen. Sie nutzen quantisierte Zustände einzelner Ionen in elektromagnetischen Fallen.

Paul-Fallen und Penning-Fallen

Es gibt zwei wesentliche Konzepte:

  • Paul-Falle: Radiofrequenz-Quadrupol-Feld stabilisiert Ionen in der Ebene, ein DC-Feld in axialer Richtung.
  • Penning-Falle: Kombination aus statischem Magnetfeld und elektrischen Feldern.

In beiden Fällen lassen sich Ketten aus einzelnen Ionen bilden. Die Zustände ergeben sich aus Hyperfein- oder Zeeman-Niveaus, z.B.:

|0\rangle = |F=0, m_F=0\rangle |1\rangle = |F=1, m_F=0\rangle

Lasersteuerung

Die Manipulation geschieht durch Laser, die Resonanzübergänge zwischen den Zuständen induzieren. Zwei wichtige Operationen:

  • Einzelqubit-Rotation: Über Rabi-Oszillationen.
  • Zwei-Qubit-Gate: Über die gemeinsamen Vibrationsmoden der Ionenkette (Mølmer–Sørensen-Gate).

Kohärenzzeiten erreichen bis zu Minuten, Gate-Fehlerraten liegen teilweise unter 0,1%.

Skalierungsperspektiven

Ionenfallen haben hohe Präzision, aber Limitierungen:

  • Skalierung erfordert Segmentierung der Fallen oder modulare Verbindungen.
  • Lasersteuerung wird komplexer bei vielen Ionen.
  • Transportprozesse müssen störungsfrei realisierbar sein.

Forschungsinitiativen wie das MODULAR-System von Honeywell arbeiten an der Vernetzung vieler Fallenmodule.

Festkörper-Spin-Qubits

In Festkörpern können Elektronenspins in Defektzentren oder Quantenpunkten als Qubits genutzt werden.

NV-Zentren in Diamant

Das Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum (NV-Zentrum) im Diamant besteht aus einer Stickstoff-Substitution und einem benachbarten Leerstellenplatz. Der Elektronenspin-Zustand wird durch optische Anregung manipuliert und gelesen. Die Kohärenzzeit kann bei isotopenreinem Diamant mehrere Millisekunden betragen.

  • Zustände: |m_s=0\rangle und |m_s=1\rangle
  • Auslese: Fluoreszenzkontrast
  • Steuerung: Mikrowellenfelder

NV-Zentren sind besonders für Quantenrepeater interessant, da sie mit Photonen verschränkt werden können.

Silizium-Spin-Qubits

Ein alternativer Ansatz nutzt einzelne Elektronenspins in Silizium-Quantenpunkten. Vorteile:

  • CMOS-Kompatibilität
  • Lange Kohärenzzeiten (Millisekunden)
  • Kleine Footprints

Die Steuerung erfolgt durch elektrische Gates und Mikrowellenfelder.

Kohärenzeigenschaften

Spin-Qubits sind anfällig für magnetische Rauschquellen, was dynamische Entkopplung und isotopenreine Materialien erforderlich macht.

Quantenpunkte

Quantenpunkte sind nanostrukturierte Halbleiterinseln, in denen Elektronen oder Löcher lokalisiert werden.

Elektronische Ladungszustände

Der Ladungszustand eines Quantenpunkts kann als Qubit dienen:

|0\rangle = \text{kein Elektron} |1\rangle = \text{ein Elektron}

Charge-Qubits in Quantenpunkten sind allerdings empfindlich gegenüber Rauschen, sodass häufig Spin-Zustände bevorzugt werden.

Single-Photon-Kopplung

Quantenpunkte können mit optischen Resonatoren integriert werden. So lassen sich Einzelphotonen emittieren, die zur Fernverschränkung dienen. Dies ist wichtig für Quantenkommunikationsanwendungen.

Herausforderungen der Gattervernetzung

  • Variabilität der Herstellung
  • Rauschunterdrückung
  • Skalierbare Adressierung

Forschungsprojekte wie EU QLSI oder US QuTech arbeiten intensiv an Lösungen.

Vergleich der Plattformen

Betriebsbedingungen

Plattform Temperatur Steuerung
Supraleiter <20 mK Mikrowellen
Ionenfallen Raumtemp. / Vakuum Laser
NV-Zentren Raumtemp. / Kryo Optisch + Mikrowellen
Silizium-Spin-Qubits <1 K Mikrowellen + Gates
Quantenpunkte <1 K Mikrowellen + Optik

Skalierbarkeit

Supraleitende Qubits und Silizium-Spin-Qubits gelten als besonders skalierbar, weil sie in großen Arrays integrierbar sind. Ionenfallen bieten exzellente Kohärenz, erfordern aber komplexe Skalierungskonzepte.

Technische Hürden

  • Supraleiter: Verlustmechanismen in Materialien, Wärmeabfuhr.
  • Ionenfallen: Komplexität der Optik.
  • Spins: Magnetisches Rauschen, Variabilität.
  • Quantenpunkte: Reproduzierbarkeit und Homogenität.

Stationäre Qubits in der Quantenkommunikation

Stationäre Qubits spielen eine zentrale Rolle bei der Realisierung zukünftiger Quantenkommunikationsnetze. Sie dienen als Speicher- und Prozessorelemente, um Verschränkung über große Entfernungen zu verteilen und Informationsverlust durch Dekohärenz oder Dämpfung auszugleichen. Dieses Kapitel zeigt die Funktionsweise von Quantenrepeatern, stellt wichtige Experimente vor und erläutert, wie stationäre Qubits als Fundament für Verschränkungsdistribution eingesetzt werden.

Quantenrepeater und stationäre Speicher

Motivation

Die Quantenkommunikation über große Distanzen leidet unter der unvermeidlichen Dämpfung optischer Fasern. Bei klassischen Signalen kann man einfach Repeater einsetzen, die das Signal messen und verstärken. Für Quanteninformation funktioniert dies nicht, da eine Messung den Quantenzustand zerstört (No-Cloning-Theorem). Deshalb braucht man Quantenrepeater, die über verschränkte Zustände funktionieren.

Die Herausforderung: Verschränkung über große Entfernungen aufrechtzuerhalten, obwohl Photonenverluste exponentiell zunehmen. Stationäre Qubits sind hier die unverzichtbare Komponente, weil sie die erzeugte Verschränkung zwischenspeichern können.

Funktionsweise

Ein Quantenrepeater teilt eine lange Distanz in kürzere Segmente. In jedem Segment wird zunächst ein verschränkter Zustand zwischen zwei stationären Qubits erzeugt. Die typische Abfolge ist:

  1. Ein stationäres Qubit koppelt an ein Photon.
  2. Das Photon wird durch eine Faser gesendet und in einem entfernten Knoten detektiert.
  3. Nach erfolgreicher Detektion ist das stationäre Qubit am Start- und Zielknoten verschränkt.
  4. Dieser Vorgang wird parallel in allen Segmenten durchgeführt.
  5. Durch Entanglement Swapping werden diese Teil-Verschränkungen zu einer Gesamtschränkung zusammengesetzt.

Mathematisch wird der Vorgang mit Zuständen wie:

|\Psi_{AB}\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}}(|0\rangle_A |1\rangle_B + |1\rangle_A |0\rangle_B)

und einer Bell-Messung dargestellt, die Zustände verbindet. So entsteht ein verschränkter Zustand über große Distanzen.

Relevante Experimente (z.B. Quantenrepeater mit NV-Zentren)

Eines der bekanntesten Systeme nutzt NV-Zentren in Diamant:

  • Hensen et al. (2015) demonstrierten eine loophole-freie Bell-Verschränkung zweier NV-Zentren über 1,3 km.
  • Hierbei wurden Photonen mit stationären NV-Zentren verschränkt, die Photonen interferierten, und nach einer erfolgreichen Messung war der Zustand der entfernten Qubits verschränkt.

Andere Plattformen für Quantenrepeater:

  • Ytterbium-Ionen in Ionenfallen
  • Rubidium-Atome in optischen Dipolfallen
  • Silizium-Photonik-Chips mit integrierten Spins

Diese Experimente zeigen, dass stationäre Qubits als langlebige Speicher dienen, während fliegende Qubits die Verknüpfung herstellen.

Verschränkungsdistribution

Protokolle zur Fernverknüpfung

Es gibt verschiedene Protokolle, um Verschränkung über Entfernungen zu verteilen:

  • Heralded Entanglement Generation: Ein Photon wird ausgesendet und eine Detektion signalisiert den Erfolg.
  • Entanglement Swapping: Zwei Paare verschränkter Zustände werden durch eine Bell-Messung zu einer neuen Verschränkung kombiniert.
  • Quantum Teleportation: Ein unbekannter Zustand wird mit Hilfe einer Bell-Messung und klassischer Kommunikation übertragen.

Zum Beispiel funktioniert Quantum Teleportation nach folgendem Schema:

  1. Alice und Bob teilen ein verschränktes Paar |\Phi^+\rangle.
  2. Alice führt eine Bell-Messung zwischen ihrem Teil und dem zu teleportierenden Zustand durch.
  3. Alice sendet das Messergebnis klassisch zu Bob.
  4. Bob wendet eine entsprechende Korrektur an und erhält den ursprünglichen Zustand.

Diese Verfahren hängen entscheidend davon ab, dass stationäre Qubits den Zustand zwischenzeitlich speichern können, bis die klassischen Informationen eintreffen.

Bell-Zustandsmessungen

Die Bell-Messung ist ein fundamentales Werkzeug. Sie erlaubt die Projektion zweier Qubits auf einen der vier Bell-Zustände:

|\Phi^\pm\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}}(|00\rangle \pm |11\rangle)

|\Psi^\pm\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}}(|01\rangle \pm |10\rangle)

Experimentell wird dies realisiert, indem die aus Photonen gewonnenen Zustände interferieren. Ein erfolgreicher Nachweis kennzeichnet das korrekte Ergebnis. Die Qualität der Bell-Messung ist entscheidend für die Gesamtfidelity der Verschränkung.

Speicherzeiten

Ein zentrales Merkmal stationärer Qubits ist die Fähigkeit, verschränkte Zustände ausreichend lange kohärent zu speichern, bis der nächste Protokollschritt abgeschlossen ist. Die typische Zeitkonstante wird durch die Kohärenzzeit T_2 beschrieben.

Beispiele:

  • NV-Zentren in isotopenreinem Diamant: T_2 > 1, \text{ms}
  • Ionenfallen: T_2 von Minuten
  • Supraleitende Qubits: T_2 \approx 0.1-0.2, \text{ms}

Je länger die Speicherzeit, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein vernetzter Quantenkommunikationsprozess erfolgreich durchgeführt werden kann.

Stationäre Qubits in der Quanteninformatik

Stationäre Qubits bilden das Fundament praktischer Quantencomputer. Sie speichern die Quanteninformation lokal und ermöglichen die kontrollierte Durchführung komplexer Algorithmen. Dieses Kapitel zeigt, wie stationäre Qubits in Registern und Speichern organisiert werden, wie sie zu logischen Qubits kodiert werden und welche Anwendungen auf dieser Basis realisiert werden.

Speicher und Register

Quantenregisterarchitekturen

In einer Quantenverarbeitungseinheit sind viele stationäre Qubits zu einem Register verbunden. Ein Quantenregister besteht formal aus der Tensorstruktur mehrerer Qubits:

|\Psi\rangle = |\psi_1\rangle \otimes |\psi_2\rangle \otimes \ldots \otimes |\psi_n\rangle

Hierbei beschreibt jedes einzelne Qubit einen lokalen Zustand.

Praktisch werden diese Qubits durch ein Gitter aus supraleitenden Schaltkreisen oder Ionenfallen angeordnet:

  • Supraleitende Quantenregister bestehen aus 2D-Arrays, typischerweise mit nächster Nachbarschaftskopplung.
  • Ionenfallenregister nutzen lineare Ketten oder modulare Segmente.
  • Spinbasierte Register ordnen Defekte oder Quantenpunkte in einem Chip an.

Die Steuerung erfolgt mit separaten Leitungen oder Lasern für jede Qubit-Adresse, ergänzt durch gemeinsame Bus-Koppler.

Ein wichtiges Ziel ist die Minimierung von Crosstalk, also ungewollten Kopplungen benachbarter Qubits.

Hybridansätze mit mobilen Qubits

Rein stationäre Register stoßen an Grenzen bei der Kommunikation über größere Entfernungen. Daher entstehen hybride Architekturen, die mobile Qubits integrieren:

  • Stationäre Qubits speichern den Zustand.
  • Fliegende Photonen transportieren Verschränkung zu anderen Modulen.
  • Photonen werden durch Mikroresonatoren oder Wellenleiter gekoppelt.

Beispiel: Ein supraleitendes Qubit kann über ein Wellenleiterresonator-Photon an ein entferntes Qubit gekoppelt werden. Solche Ansätze sind essenziell für verteilte Quantencomputer.

Logische Qubits und Fehlerkorrektur

Kodierung stationärer Qubits in Fehlerkorrekturcodes

Realistische Quantencomputer müssen mit Fehlern umgehen, die durch Dekohärenz und Rauschen entstehen. Dazu werden mehrere physikalische Qubits zu einem logischen Qubit zusammengefasst. Die allgemeine Idee:

|0_L\rangle = |\text{Codeword}_0\rangle

|1_L\rangle = |\text{Codeword}_1\rangle

Ein einfaches Beispiel ist der Shor-Code, der 9 physikalische Qubits nutzt, um einen logischen Qubit zu schützen.

Stationäre Qubits eignen sich für solche Kodierungen, weil sie über längere Zeiträume kohärent bleiben und präzise adressierbar sind.

Surface Codes

Die heute meistverfolgte Fehlerkorrekturarchitektur für stationäre Qubits ist der Surface Code. Er nutzt ein zweidimensionales Gitter, in dem Qubits zu Stabilisatoren gruppiert werden. Die wesentlichen Eigenschaften:

  • Erfordert nur lokale Nachbarschaftsinteraktion.
  • Toleriert hohe Fehlerraten bis etwa 1%.
  • Unterstützt parallele Syndrome-Messungen.

Der logische Qubit entsteht durch ein topologisch kodiertes Muster im Gitter. Die Stabilisatoren messen Fehler, ohne den logischen Zustand zu zerstören.

Ein bekanntes Beispiel: Google Sycamore implementierte 53 stationäre Qubits mit Surface Code-Fehlerkorrekturtests.

Threshold-Werte für Fehlerraten

Ein zentrales Kriterium: die Fehlerschwelle. Sie legt fest, wie präzise die physikalischen Gates und Messungen sein müssen. Für den Surface Code gilt:

p_{\text{error}} < p_{\text{threshold}} \approx 1%

Stationäre Qubits wie supraleitende Schaltkreise oder Ionen können diese Anforderungen erfüllen, insbesondere wenn Gatterfehlerraten unter 0,1% liegen.

Anwendungen

Stationäre Qubits eröffnen in der Quanteninformatik Anwendungen, die klassische Computer in vielen Bereichen übertreffen können.

Faktorisierung

Ein Paradebeispiel ist der Shor-Algorithmus zur Faktorisierung großer Zahlen. Der Algorithmus nutzt stationäre Qubits, um diskrete Fourier-Transformationen und Modulararithmetik effizient zu implementieren. Die Faktorisierungskomplexität reduziert sich von exponentiell auf polynomiell.

Mathematisch besteht ein Teil des Verfahrens in der Anwendung einer Quanten-Fourier-Transformation:

|k\rangle \to \frac{1}{\sqrt{N}} \sum_{j=0}^{N-1} e^{2\pi i jk / N} |j\rangle

Experimente mit stationären Ionenfallen demonstrierten bereits Faktorisierung kleiner Zahlen (z.B. 15).

Quanten-Simulation

Stationäre Qubits sind ideal für die Simulation komplexer quantenmechanischer Systeme:

  • Moleküle
  • Festkörpermodelle
  • Quantendynamik

Die Simulation beruht auf der direkten Abbildung des Ziel-Hamiltonoperators auf die Interaktionen der Qubits. Dies ermöglicht die Untersuchung bislang unzugänglicher chemischer oder physikalischer Prozesse.

Optimierungsprobleme

Quantenalgorithmen wie der Quantum Approximate Optimization Algorithm (QAOA) nutzen stationäre Qubits, um kombinatorische Optimierungsprobleme effizient zu lösen:

  • Traveling Salesman Problem
  • Max-Cut-Problem
  • Portfolio-Optimierung

Stationäre Qubits bieten dafür die notwendige Gate-Tiefe und Kohärenz, um Algorithmen mit Dutzenden Schritten durchzuführen.

Physikalische Herausforderungen

Obwohl stationäre Qubits enorme Fortschritte ermöglicht haben, stoßen sie in der Praxis auf erhebliche physikalische Limitierungen. Diese Herausforderungen beeinflussen Kohärenzzeiten, Fehlerraten, Skalierbarkeit und die technische Realisierbarkeit großer Quantenprozessoren. Im Folgenden werden die Hauptquellen von Dekohärenz, Fehlerquellen bei Gatteroperationen und die Probleme der Integration beleuchtet.

Dekohärenzmechanismen

Dekohärenz ist der Prozess, bei dem ein ursprünglich kohärenter Quantenzustand durch Kopplung an die Umgebung in eine klassische Wahrscheinlichkeitsverteilung übergeht. Die Stabilität stationärer Qubits hängt direkt davon ab, wie gut Dekohärenzmechanismen unterdrückt werden.

Thermische Rauschquellen

Thermische Energie kann stationäre Qubits anregen oder dephasieren. Der Effekt ist abhängig von der Betriebstemperatur und der Frequenzdifferenz zwischen den Zuständen. Für supraleitende Qubits gilt die Boltzmann-Population:

P_{\text{excited}} = \frac{1}{1 + e^{\hbar \omega / k_B T}}

Bei typischen Frequenzen um 5 GHz und Temperaturen unter 20 mK beträgt diese thermische Anregung weniger als 1%. Trotzdem kann Restwärme aus der Umgebung über Mikrowellenleitungen eingekoppelt werden. Deshalb sind komplexe Filter- und Abschirmmaßnahmen notwendig.

Magnetische Fluktuationen

Spinsysteme wie NV-Zentren oder Silizium-Spin-Qubits sind empfindlich gegenüber magnetischen Feldern. Störfelder bewirken Dephasierung, die als exponentielles Abklingen der Kohärenz beschrieben wird:

\langle \sigma_x(t) \rangle = \langle \sigma_x(0) \rangle e^{-t/T_2^*}

Zur Unterdrückung magnetischer Rauschquellen werden magnetische Abschirmungen, dynamische Decoupling-Sequenzen und isotopenreine Materialien eingesetzt.

Materialunreinheiten

Defekte, Oberflächenverluste und Two-Level-Systems (TLS) in den Materialien stellen eine der größten Herausforderungen dar. Beispielsweise absorbieren TLS Energie aus supraleitenden Resonatoren und führen zu verlustbehafteten Zuständen. Verbesserte Herstellungsverfahren wie Oberflächenpassivierung oder optimierte Dünnschichtprozesse zielen darauf ab, die Anzahl aktiver TLS zu reduzieren.

Gatterfehlerraten

Neben der Dekohärenz ist die Präzision der Gate-Operationen entscheidend für die Gesamtfehlerquote eines Quantencomputers.

Präzision der Steuerpulse

Gatteroperationen basieren auf präzise kontrollierten Pulsen. Abweichungen in Amplitude, Frequenz oder Dauer führen zu Fehlern. Ein typisches Modell beschreibt ein Einzelqubit-Gate als Rotation:

R(\hat{n}, \theta) = e^{-i \theta (\hat{n}\cdot\vec{\sigma})/2}

Fehler entstehen, wenn \theta oder \hat{n} nicht exakt stimmen. Kalibrierungsprozeduren und Feedback-Kontrolle sind daher unverzichtbar, um Abweichungen zu minimieren.

Crosstalk

In Qubit-Arrays beeinflussen Steuerpulse nicht nur das Zielqubit, sondern induzieren ungewollte Effekte auf Nachbarn. Dieses Crosstalk wächst mit der Packungsdichte der Qubits. Methoden zur Unterdrückung:

  • Physikalische Abschirmung benachbarter Qubits
  • Optimierte Pulsformen mit minimaler Frequenzüberschneidung
  • Adaptive Steuersequenzen

Dynamische Entkopplung

Zur Kompensation zeitabhängiger Rauschquellen werden dynamische Entkopplungsverfahren eingesetzt. Typisch sind Pulse wie CPMG-Sequenzen, die den Kohärenzverlust durch Refokussierung minimieren:

|\psi(t)\rangle = \prod_{k} U_{\pi} \cdot e^{-i H_{\text{noise}} \tau} |\psi(0)\rangle

Solche Sequenzen verlängern die effektive Kohärenzzeit oft um ein Vielfaches.

Skalierbarkeit und Integration

Ein Schlüsselkriterium für stationäre Qubits ist die Fähigkeit, viele tausend Einheiten in einem System zu integrieren.

Packaging

Stationäre Qubits erfordern komplexe Packages, die folgende Anforderungen erfüllen:

  • Thermische Ankopplung an Kryostate
  • Hochfrequenzleitungen für Steuerung und Auslese
  • Isolation gegen elektromagnetische Störungen

Die mechanische Stabilität ist ebenfalls entscheidend, um Vibrationseinflüsse zu minimieren.

Mikrowellen- und Laseransteuerung

Die Ansteuerung stationärer Qubits basiert auf hochpräzisen Mikrowellen- (Supraleiter, Spins) oder Laserquellen (Ionen). Probleme entstehen durch:

  • Drift der Frequenzquellen
  • Phasenrauschen
  • Verteilungsverluste über viele Steuerleitungen

Aktuelle Entwicklungsansätze nutzen Multiplexing und Photonik, um die Zahl der Steuerleitungen pro Qubit zu reduzieren.

Verbindung mit klassischen Kontrollsystemen

Jeder Qubit-Zustand muss überwacht und gesteuert werden. Für große Systeme entstehen hier Engpässe:

  • Gigabit-Datenraten beim Auslesen
  • Rechenleistung für Echtzeit-Fehlerkorrektur
  • Synchronisation vieler Steuerkanäle

Ein Ziel der Forschung ist die Entwicklung integrierter Steuerelektronik, die direkt am 4K- oder Millikelvin-Level arbeitet, um Signalwege zu verkürzen und Energieverbrauch zu minimieren.

Meilensteine der Forschungsgeschichte

Die Entwicklung stationärer Qubits ist ein Meilenstein der modernen Physik und Ingenieurkunst. Sie basiert auf jahrzehntelanger Grundlagenforschung und mutigen Experimenten, die sukzessive zeigten, dass kontrollierte Quantenzustände nicht nur in einzelnen Atomen, sondern auch in makroskopischen Systemen erzeugt und manipuliert werden können. Dieses Kapitel stellt die bedeutendsten Persönlichkeiten, Experimente und technischen Durchbrüche vor.

Pioniere der stationären Qubit-Technologien

John Martinis und supraleitende Qubits

John Martinis gehört zu den zentralen Figuren in der Entwicklung supraleitender Qubits. In den 2000er Jahren etablierte er mit seinem Team am National Institute of Standards and Technology (NIST) Konzepte, um Quantenkohärenz in Josephson-Schaltkreisen zu erhalten. Später wechselte Martinis an die University of California, Santa Barbara, wo er maßgeblich am Aufbau der ersten skalierbaren supraleitenden Qubit-Architekturen beteiligt war. Seine Arbeit legte die Grundlage für die Technologie, die Google im Sycamore-Projekt einsetzte. Ein wichtiger Durchbruch war die Entwicklung des Transmon-Qubits, das gegenüber Ladungsrauschen deutlich robuster ist und dessen Hamiltonoperator lautet:

H = 4E_C (n - n_g)^2 - E_J \cos(\phi)

Die Konzeption des Transmon gilt heute als Standard in der supraleitenden Qubit-Forschung.

Rainer Blatt und Ionenfallen

Rainer Blatt hat das Feld der Ionenfallen-Qubits entscheidend geprägt. Als Professor an der Universität Innsbruck leitete er zahlreiche bahnbrechende Experimente:

  • 2004: Demonstration kontrollierter Zwei-Ionen-Verschränkung
  • 2008: Realisierung des Grover-Algorithmus mit Ionen
  • 2011: Skalierung auf mehr als 10 Ionen

Blatts Arbeiten zeigten, dass Ionenfallen außergewöhnlich präzise kontrollierbare stationäre Qubits sind, mit Kohärenzzeiten von mehreren Minuten. Seine Gruppe gehört zu den führenden Laboren weltweit und trieb auch die Forschung an Quantenrepeatern auf Basis gefangener Ionen voran.

Mikhail Lukin und NV-Zentren

Mikhail Lukin von der Harvard University war Pionier der Nutzung von NV-Zentren in Diamant für stationäre Qubits und Quantenkommunikation. Bereits in den frühen 2000er Jahren erkannte er, dass NV-Zentren bei Raumtemperatur stabile Quantenzustände bieten und durch optische Techniken kontrolliert werden können. Sein Team war an Experimenten beteiligt, die erstmals Einzelphotonen-Verschränkung mit Spins demonstrierten. Besonders hervorzuheben ist die Beteiligung an dem Experiment von Hensen et al. (2015), das einen loophole-freien Bell-Test über Kilometer-Distanzen realisierte. Die NV-Technologie gilt heute als zentrale Plattform für Quantenrepeater.

Wegweisende Experimente

IBM Quantum Experience

IBM war 2016 der erste Anbieter, der einen Quantencomputer mit stationären Qubits öffentlich über die Cloud zugänglich machte. Die Plattform basierte auf supraleitenden Transmon-Qubits und ermöglichte Forschern weltweit, Experimente zu programmieren. Diese Initiative beschleunigte die Entwicklung von Software-Ökosystemen, Algorithmen und Fehlerkorrekturverfahren.

Google Sycamore

Im Jahr 2019 sorgte Google mit Sycamore für internationales Aufsehen. Der Prozessor bestand aus 53 supraleitenden Qubits und führte ein Sampling-Experiment durch, das klassische Supercomputer nur extrem ineffizient simulieren konnten. Der Hamiltonoperator für die Kopplung der Qubits in Sycamore basierte auf nächster Nachbarschaftsinteraktion:

H = \sum_i \hbar \omega_i \sigma_z^{(i)} + \sum_{i,j} J_{ij} \sigma_x^{(i)} \sigma_x^{(j)}

Dieses Experiment wird vielfach als Demonstration der „Quantenüberlegenheit“ angesehen.

Quantenrepeater-Demonstrationen

Ein Meilenstein für stationäre Qubits in der Quantenkommunikation war die Demonstration von Quantenrepeatern. Herausragend war die Arbeit von Hensen et al. (2015):

  • Verschränkung zweier NV-Zentren über 1,3 km Glasfaser
  • Loophole-freier Bell-Test mit Signifikanz
  • Basis für vertrauenswürdige Quantenkommunikation

Später folgten Experimente mit Ionenfallen und neutralen Atomen, die weitere Verbesserungen der Speicherzeiten und Effizienz erzielten.

Entwicklung der ersten Quantencomputer mit stationären Qubits

Quantenüberlegenheitsexperimente

Neben Google Sycamore führten auch andere Teams Experimente durch, die die Leistungsfähigkeit stationärer Qubits unter Beweis stellten:

  • IBM: Simulations-Experimente mit mehr als 20 Qubits
  • IonQ: Präzise Optimierungsaufgaben mit Ionenfallen
  • Rigetti: Variational Quantum Eigensolver mit mehreren Qubits

Diese Experimente zeigten, dass stationäre Qubits für konkrete Anwendungen und nicht nur Grundlagenforschung geeignet sind.

Fortschritte bei Kohärenzzeiten

Die Kohärenzzeit ist ein kritischer Parameter. Wichtige Fortschritte:

  • NV-Zentren: T_2 > 1, \text{ms} bei isotopenreinem Diamant
  • Supraleiter: Steigerung auf über 200 µs durch Materialoptimierung
  • Silizium-Spins: Millisekunden bei tiefen Temperaturen

Diese Verbesserungen sind Ergebnis intensiver Material- und Steuerungstechnologie.

Roadmaps führender Unternehmen und Forschungsgruppen

Viele Institutionen haben ambitionierte Fahrpläne:

  • IBM: 1.000-Qubit-Systeme bis 2025
  • Google: Fehlerkorrigierte Logical Qubits bis Ende der Dekade
  • IonQ: Skalierung modularer Ionenfallen
  • QuTech Delft: Hybrid-Architekturen mit Spin-Photon-Kopplung
  • Harvard: Quantenrepeater-Netzwerke mit NV-Zentren

Diese Roadmaps belegen den rasanten Fortschritt und die strategische Bedeutung stationärer Qubits als Kern zukünftiger Technologien.

Zukunftsperspektiven stationärer Qubits

Stationäre Qubits sind heute der Grundpfeiler praktisch aller industriellen und akademischen Quantencomputing-Programme. Doch der Weg von Dutzenden Qubits in heutigen Systemen hin zu Millionen fehlerkorrigierter Qubits für industrielle Anwendungen ist noch lang. Dieses Kapitel beleuchtet die Visionen, die kombinierten Systemkonzepte und die entscheidenden offenen Fragen, die die nächste Dekade der Forschung prägen werden.

Roadmaps zu Millionen-Qubit-Systemen

Modulare Architekturen

Ein Kernproblem heutiger Ansätze ist die mangelnde Skalierbarkeit monolithischer Chips. Bei steigender Zahl stationärer Qubits wächst der technische Aufwand für Steuerung, Kühlung und Verkabelung exponentiell. Die Antwort darauf sind modulare Architekturen, bei denen kleinere, lokal kontrollierbare Qubit-Arrays („Module“) zu größeren Systemen vernetzt werden.

Beispiele:

  • IonQ verfolgt modulare Ionenfallen, die über Photonen gekoppelt werden.
  • IBM plant Chips mit 1.000–4.000 stationären Qubits, die per Interposer miteinander verbunden werden.
  • Google untersucht Mikrowellen-Verbindungen zwischen Supraleiter-Arrays.

Das Ziel: ein System, in dem jedes Modul wenige Hundert physikalische Qubits enthält, ergänzt durch Schnittstellen, die Verschränkung und Datenübertragung zwischen Modulen ermöglichen.

Integration photonischer Schnittstellen

Eine weitere strategische Stoßrichtung ist die direkte Integration photonischer Schnittstellen in stationäre Qubits. Das erlaubt es, Verschränkung nicht nur lokal zu erzeugen, sondern auch auf Distanz zu verteilen. Wichtige Forschungsrichtungen:

  • NV-Zentren gekoppelt an optische Resonatoren
  • Supraleiter mit on-chip konvertierten Mikrowellen-Photonen
  • Silizium-Photonik-Plattformen für Spin-Photon-Kopplung

Diese Integration ist entscheidend, um zukünftig Millionen Qubits auf verschiedenen Chips zu einem logischen Gesamtsystem zu verknüpfen.

Kombinierte Systeme

Hybridisierung stationärer und fliegender Qubits

Stationäre Qubits eignen sich ideal als Speicher und Verarbeitungseinheiten, fliegende Qubits dagegen für die Verteilung von Information. Zukünftige Architekturen werden beide Ansätze verschmelzen:

  • Quantenbusse aus Mikrowellen- oder optischen Resonatoren verbinden stationäre Qubits über Distanzen.
  • Photonen erlauben die Überbrückung von Metern bis Kilometern.
  • Transducer wandeln Mikrowellensignale stationärer Qubits in optische Signale.

Hybride Systeme entstehen zum Beispiel bei Projekten wie QuTech in Delft, wo supraleitende Qubits mit optischen Schnittstellen kombiniert werden, oder in Harvard, wo NV-Zentren in Diamant als stationäre Speicher dienen und Photonen für die Übertragung sorgen.

Vernetzung über Quanteninternet

Langfristig zielt die Forschung auf ein Quanteninternet, das einzelne Quantenprozessoren weltweit verbindet. Stationäre Qubits spielen in diesem Szenario die Rolle der Recheneinheiten und Speicher:

  1. Lokale Berechnungen auf stationären Qubit-Arrays.
  2. Verschränkung mit entfernten Stationen über Photonen.
  3. Teleportation von Zuständen und verteilte Algorithmen.

Dieses Modell würde es ermöglichen, Rechenkapazität und Quantenressourcen dynamisch über globale Netzwerke zu teilen.

Offene Fragen

Fehlerkorrektur bei hoher Dichte

Während Surface Codes und andere Verfahren vielversprechend sind, stellt die Integration großer Qubit-Mengen enorme Herausforderungen:

  • Wie können Fehlerkorrekturschichten effizient implementiert werden, wenn Tausende stationäre Qubits dicht gepackt sind?
  • Wie lässt sich die Synchronisation verteilter Syndrome-Messungen sicherstellen?

Forscher arbeiten an skalierbaren Fehlerkorrekturschemata, die weniger Overhead benötigen und robuster gegen lokale Fehler sind.

Standardisierung der Schnittstellen

Der heutige Markt ist geprägt von inkompatiblen Hardware-Plattformen und proprietären Steuerprotokollen. Für den Übergang zu industriell nutzbaren Quantencomputern müssen Standards etabliert werden:

  • Frequenzbereiche und Signalformate (z. B. Mikrowellen vs. optisch)
  • Protokolle für die Photon-Qubit-Kopplung
  • APIs und Software-Schnittstellen

Ein Ziel der nächsten Jahre ist, dass verschiedene stationäre Qubit-Systeme interoperabel werden.

Energie- und Kostenoptimierung

Große Quantensysteme sind heute extrem energieintensiv, vor allem durch Kühlung auf Millikelvin-Temperaturen. Wichtige Fragen:

  • Welche Plattformen erlauben Betrieb bei höheren Temperaturen?
  • Wie kann die Steuerhardware energieeffizient integriert werden?
  • Wie lassen sich Kosten pro Qubit massiv reduzieren, um industrielle Anwendungen zu ermöglichen?

Innovationen in der Kryoelektronik, photonischen Steuerung und Materialforschung sind dafür essenziell.

Fazit

Stationäre Qubits stehen im Zentrum der weltweiten Bemühungen, die Quanteninformationstechnologie von der Grundlagenforschung in die industrielle Praxis zu überführen. Sie sind der entscheidende Baustein, um kohärente Quantenzustände präzise zu speichern, kontrolliert zu manipulieren und in logische Qubits für fehlerkorrigierte Operationen zu kodieren.

Zusammenfassung der Bedeutung stationärer Qubits

Stationäre Qubits ermöglichen:

  • die lokale Speicherung von Quanteninformation über Zeiträume, die groß genug sind, um komplexe Algorithmen durchzuführen;
  • die präzise Steuerung durch Mikrowellen, Laser oder elektrische Felder;
  • die Kombination mit Fehlerkorrekturcodes, die den Weg zu skalierbaren Quantencomputern ebnen;
  • die Integration in hybride Systeme, in denen sie mit fliegenden Qubits für Quantenkommunikation und verteiltes Rechnen zusammenspielen.

Durch ihre Stabilität bilden stationäre Qubits das Fundament für Plattformen wie supraleitende Schaltkreise, Ionenfallen, Spins in Festkörpern und Quantenpunkte. Jedes dieser Systeme hat heute Prototypen hervorgebracht, die teils Dutzende, teils über 100 Qubits beherrschen.

Einordnung in den globalen Forschungs- und Industriekontext

In den letzten zehn Jahren hat die Forschung eine beispiellose Dynamik erreicht:

  • Akademische Spitzenlabore wie das IQOQI Innsbruck, Harvard, MIT, Delft und Santa Barbara haben Pionierarbeiten zu Kohärenzzeiten, Gate-Fehlerquoten und Skalierbarkeit veröffentlicht.
  • Industrieprogramme von IBM, Google, Rigetti, IonQ und Honeywell demonstrieren Quantenprozessoren mit zunehmend praktischer Relevanz.
  • Internationale Kooperationen fördern die Standardisierung von Steuer- und Schnittstellenprotokollen.

Stationäre Qubits sind das technische Herzstück dieser Entwicklung, weil sie als zuverlässige Speicher und Rechenelemente sowohl für Quantencomputer als auch für Quantenkommunikationssysteme fungieren.

Perspektive für Anwendungen in den kommenden Jahrzehnten

In den nächsten 20 bis 30 Jahren ist mit tiefgreifenden Fortschritten zu rechnen:

  • Fehlerkorrigierte Quantenprozessoren mit Tausenden bis Millionen stationärer Qubits werden voraussichtlich Algorithmen für Molekülsimulation, Optimierung und Kryptographie skalierbar machen.
  • Hybride Quanten-Cloud-Systeme kombinieren stationäre Qubits vor Ort mit Quanteninternet-Komponenten, um Ressourcen weltweit zu teilen.
  • Neue Material- und Fertigungstechnologien könnten Betrieb bei höheren Temperaturen erlauben und die Kosten pro Qubit drastisch senken.

Damit wird die Rolle stationärer Qubits nicht nur auf Forschungslabore beschränkt bleiben, sondern sie werden das Fundament einer künftigen Quanteninfrastruktur bilden, die Wirtschaft, Wissenschaft und Gesellschaft gleichermaßen transformiert.

Mit freundlichen Grüßen Jörg-Owe Schneppat

Anhang

Institute, Forschungszentren und Universitäten

IBM Quantum

Führender Anbieter supraleitender Qubit-Technologien, Pionier des Cloud-Quantencomputings.

Google Quantum AI

Entwickler des Sycamore-Prozessors, der Quantenüberlegenheit demonstrierte.

University of California, Santa Barbara – Martinis Lab

Forschungslabor von John Martinis, maßgeblich an der Entwicklung supraleitender Qubits beteiligt.

Universität Innsbruck – Institut für Quantenoptik und Quanteninformation

Rainer Blatts Gruppe, führend in Ionenfallen und Verschränkungsexperimenten.

Harvard Quantum Initiative

Forschungszentrum unter Leitung von Mikhail Lukin, Pionier der NV-Zentren.

QuTech Delft

Europäisches Spitzenzentrum für supraleitende Qubits, Spin-Qubits und Quanteninternet.

Massachusetts Institute of Technology (MIT) – Center for Quantum Engineering

Verbindet Ingenieurwissenschaften und Quanteninformation.

University of Oxford – Quantum Group

Führend in Fehlerkorrektur und Verschränkung von stationären Qubits.

NIST Ion Storage Group

Pionier in Ionenfallen und Präzisionsmessung.

University of New South Wales – Silicon Quantum Computing

Führend bei Silizium-basierten Spin-Qubits.

Projekte und Industriekonsortien

European Quantum Flagship

Europäische Förderinitiative für Quantencomputer- und Kommunikationsforschung.

Quantum Internet Alliance

Forschungsverbund für Quantenkommunikationsinfrastrukturen.

Rigetti Computing

Privates Unternehmen mit Fokus auf supraleitende stationäre Qubits.

Honeywell Quantum Solutions (jetzt Quantinuum)

Hersteller skalierbarer Ionenfallen-Prozessoren.

IonQ

Kommerzialisierung von Ionenfallen-Quantencomputern.

Weiterführende Ressourcen und Repositorien

arXiv Quantum Physics

Preprint-Server für aktuelle Forschungsergebnisse zu stationären Qubits.

Quantum Open Source Foundation

Open-Source-Initiativen zur Softwareentwicklung für stationäre Qubits.

Q-CTRL

Spezialisiert auf Dekohärenz-Reduktion in stationären Qubit-Systemen.

Quantum Computing Report

Aktuelle Marktanalysen und Technologieübersichten.

Auswahl relevanter Originalpublikationen

Martinis et al. (2002) „Rabi Oscillations in a Large Josephson-Junction Qubit“ https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.89.117901

Hensen et al. (2015) „Loophole-free Bell inequality violation using electron spins separated by 1.3 kilometres“ https://doi.org/10.1038/nature15759

Arute et al. (2019) „Quantum supremacy using a programmable superconducting processor“ https://doi.org/10.1038/s41586-019-1666-5

Blatt & Wineland (2008) „Entangled states of trapped atomic ions“ https://doi.org/10.1038/nature07125

Supersymmetrie (SUSY)

Supersymmetrie (SUSY)

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Anti-Pion

Anti-Pion

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Syndrom-Qubits

Syndrom-Qubits

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Quarks

Quarks

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Dekohärenzzeit

Dekohärenzzeit

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Hexaquarks

Hexaquarks

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