Wissenschaftler der University of Surrey haben einen neuen Ansatz zur Konstruktion eines Qubits vorgestellt, der die Fehlerraten im Quantencomputing um etwa das 100-fache reduzieren könnte. Ihre Idee beinhaltet die Verwendung von Suprergas-Helium, das ungewöhnliche Quanteneigenschaften besitzt, um ein Qubit zu konstruieren, das möglicherweise widerstandsfähiger gegen die Arten von Störungen ist, die aktuelle führende Quantencomputer beeinträchtigen.
Das vorgeschlagene Gerät, bekannt als Superfluid Helium Oscillator Quantum (SHOQ)-Gerät, würde ladungsneutrales Suprergas-Helium-3 nutzen. Das Fehlen einer elektrischen Ladung im Helium bedeutet, dass die Anordnung einen natürlichen Schutz gegen bestimmte Arten elektromagnetischer Störungen bietet.
Warum Quantencomputer mit Fehlern zu kämpfen haben
Herkömmliche Computer können nicht die Art und Weise verarbeiten, wie Quantencomputer Informationen speichern und verarbeiten, was auf Qubits basiert. Viele aktuelle Systeme sind auf supraleitende Schaltkreise angewiesen, die jedoch sehr empfindlich auf elektromagnetisches Rauschen und Streustrom reagieren – ähnlich wie statische Elektrizität, die dazu führt, dass Haare an einem Luftballon haften bleiben.
Die innerhalb eines einzelnen Qubits gespeicherten Informationen sind äußerst empfindlich, und selbst kleinste Störungen können diese beeinträchtigen. Je mehr Qubits einem System hinzugefügt werden, desto schwieriger wird es, den Ursprung der Fehler zu verfolgen, weshalb das Fehlermanagement zu einem der wichtigsten Probleme für das Quantencomputing heute geworden ist. Diese Schwierigkeit hat die Forscher dazu getrieben, sich auf Designs zu konzentrieren, die Qubits vor den Störungen isolieren, die Fehler verursachen.
Das SHOQ-Design
Die Quantum Sciences Group in Surrey hat in einem Artikel, der in npj Quantum Information erscheint, eine neue Methode beschrieben, die auf Suprergas-Helium-3 basiert, einer ungewöhnlichen Form von flüssigem Helium, das ohne Reibung fließen kann.
Das vorgeschlagene Gerät verlässt sich auf ladungsneutrales Suprergas-Helium. Da das Helium keine elektrische Ladung trägt, genießt das Design einen natürlichen Schutz gegen bestimmte Arten elektromagnetischer Störungen.
Die Wissenschaftler sagen, ihre Arbeit markiere das erste berichtete Design für ein Qubit, das auf einem Suprergas basiert. Ihre Modelle deuten darauf hin, dass das SHOQ-Gerät Fehlerraten habe, die etwa 100-mal niedriger sind als bei herkömmlichen supraleitenden Qubits.
Was Sharma sagt
Daphne Jackson Fellow Dr. Priya Sharma, die im Bereich hybrider Quantensysteme an der School of Mathematics and Physics der University of Surrey arbeitet, leitete die Forschung. Sie ist die Hauptverfasserin der Studie.
„Wir sind nicht die ersten, die über die einzelnen Komponenten hinter dieser Idee nachdenken, aber das, was wir zum ersten Mal getan haben, ist, diese in einem mikrofluidischen Gerät zusammenzuführen und die spezifischen Details auszuarbeiten, die es dem Gerät ermöglichen könnten, als Qubit zu funktionieren.“
„Die Mathematik sagt uns, dass es funktionieren sollte. Wir haben genommen, was wir bereits über flüssiges Helium und Quantentechnologien wissen, und daraus ein fundiertes Design mit den Parametern und Spezifikationen erstellt, die benötigt werden, um eines zu bauen. Der nächste Schritt ist, einen Prototyp herzustellen und diese Vorhersagen auf die Probe zu stellen.“
Wie das Gerät funktionieren könnte
Die Forscher sagen, das SHOQ-Gerät werde möglicherweise nicht die aktuelle Quantencomputerhardware ersetzen. Stattdessen schlagen sie vor, es mit supraleitender Quantentechnologie zu kombinieren.
Es würde verschiedenen Arten von Qubits ermöglichen, innerhalb einer einzelnen Einrichtung unterschiedliche Rollen zu übernehmen und dabei von den jeweiligen Qualitäten zu profitieren, die sie mitbringen. Diese Kombination könnte ein System bedeuten, bei dem einige Qubits den Speicher verwalten, während andere die Berechnungen durchführen, jeder kann das tun, was er am besten kann.
Eine mögliche Rolle als Quantenspeicher
Eine weitere erweiterte Idee beinhaltet die Verwendung des SHOQ-Geräts selbst als eine Art Speicher für Quantendaten. Unter einer solchen Anordnung würde ein auf flüssigem Helium basierendes Qubit Quanteninformationen speichern, während separate Hardware die Berechnungsarbeit übernimmt.
Die Studie wurde gemeinsam von Dr. Eran Ginossar verfasst, einem Associate Professor im Department of Physics und dem Advanced Technology Institute der University of Surrey, der folgende Erklärung abgab:
„Wir müssen nicht unbedingt einen Qubit-Typ haben, der alles erledigt. Die Kombination verschiedener Quantentechnologien könnte es uns ermöglichen, die Stärken jedes zu nutzen.“
„Flüssiges Helium bietet uns eine grundlegend andere Art von Quantenhardware, die wir erforschen können. Wenn die vorhergesagte Leistung experimentell nachgewiesen werden kann, könnte sie schließlich zusammen mit bestehenden supraleitenden Technologien als Teil eines größeren Quantensystems funktionieren.“
Das Prototypenprojekt
Ein Prototyp ist derzeit geplant, damit das Team feststellen kann, ob die erwartete Leistung in einem tatsächlichen Gerät Bestand hat. Die Finanzierung für diese Arbeit stammt aus einem IAA Commercialisation Fellowship, das Dr. Priya Sharma verliehen wurde.
Supraleitendes Helium-3 wurde bereits in früheren Experimenten verwendet, um die niedrigen Temperaturen zu erreichen, die für den Betrieb des SHOQ-Geräts erforderlich sind. Die Bedingungen, die das SHOQ-Gerät benötigt, wurden daher bereits in diesen Tests erreicht.
Die Zusammenarbeit hinter der Studie
Die Arbeit wurde von der University of Surrey in Partnerschaft mit Professor Jens Koch an der Northwestern University in den Vereinigten Staaten geleitet. Koch gehörte zu denen, die bei der Entwicklung des Transmons halfen, einem supraleitenden Qubit-Design, das zu einem Standard in der Quantencomputertechnik geworden ist.
Die Studie erscheint in npj Quantum Information, mit dem DOI 10.1038/s41534-026-01355-3.
Was als nächstes passiert
Bevor das SHOQ-Gerät in Betrieb genommen werden kann, muss zunächst ein funktionierendes Modell gebaut werden. Sollte das Modell mit den Vorhersagen übereinstimmen, könnte es später zusammen mit aktuellen supraleitenden Qubits funktionieren oder eine neue Form von Quantenspeicher übernehmen.
„Wir haben das bereits Bekannte über Supraleitendes Helium und Quantentechnologien in ein fundiertes Design umgewandelt, mit den Parametern und Spezifikationen, die zum Bau benötigt werden.“
Quellenmaterial: „Dieses neue Qubit könnte in einem Durchbruch des supraleitenden Quantencomputers 100-mal weniger anfällig für Fehler sein“, ScienceDaily.
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