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Kann ein „Suprastrom“ Qubits auslesen, ohne ihren Quantenzustand zu zerstören?
Messproblem im Quantencomputer: Eine direkte Messung kann die empfindliche Überlagerung von Zuständen zerstören. Ein neuer theoretischer Ansatz soll den Zustand spezieller Quantenbits stattdessen aus winzigen Stromschwingungen rekonstruieren. In Berechnungen gelingt dies mit bis zu 99,85 Prozent Übereinstimmung, ohne zusätzliche Hilfs-Qubits zu benötigen.
São Carlos (Brasilien). Quantenbits, kurz Qubits, unterscheiden sich grundlegend von den Bits gewöhnlicher Computer: Sie können nicht nur die Werte null oder eins annehmen, sondern auch eine Überlagerung beider Zustände bilden. Gerade diese Superposition ist für viele Quantenverfahren entscheidend. Doch eine direkte Messung in der Rechenbasis legt den Zustand normalerweise auf ein Messergebnis fest.
Um Quanteninformation möglichst wenig zu stören, werden deshalb Verfahren zur sogenannten zerstörungsarmen Quantenmessung entwickelt. Zahlreiche Konzepte nutzen dafür zusätzliche Hilfs-Qubits, auch Ancillas genannt, die zunächst vorbereitet und mit dem untersuchten Qubit gekoppelt werden müssen. Das macht das Auslesen technisch aufwendiger.
Forscher der Universidade de São Paulo (USP) um Prof. Dr. José Carlos Egues haben nun eine alternative Methode für sogenannte Andreev-Qubits theoretisch untersucht. Diese beruhen auf Quantenzuständen in einem winzigen Kontakt zwischen Supraleitern, die elektrischen Strom ohne Widerstand transportieren können. Im betrachteten Modell sitzt ein Quantenpunkt in einem Nanodraht aus Indiumarsenid zwischen zwei supraleitenden Anschlüssen.
Bei einer Überlagerung zweier Quantenzustände erzeugt der Kontakt den Berechnungen zufolge einen Suprastrom, der neben einem gleichbleibenden Anteil auch eine zeitlich schwankende Komponente besitzt. Diese Schwingung entsteht durch die Quanteninterferenz zwischen den beteiligten Zuständen. Sie verrät damit Eigenschaften des Qubits, ohne dass dessen Zustand unmittelbar in der üblichen Weise ausgelesen werden muss.
„Unser Ansatz ist anders. Statt Informationen auf ein Hilfs-Qubit zu übertragen, wollen wir sie aus einem vom untersuchten Qubit selbst erzeugten Signal gewinnen“, erklärt José Carlos Egues.
Dabei verraten der konstante Stromanteil und die Schwingungsamplitude, mit welchen Gewichten die beiden Grundzustände an der Überlagerung beteiligt sind. Der zeitliche Beginn der Schwingung liefert zudem ihren relativen Phasenwinkel. Zusammen reichen diese Angaben laut Modell aus, um den ursprünglichen reinen Quantenzustand zu rekonstruieren.
„Genau diese Eigenschaft nutzen wir zum Auslesen des Qubits. Dieser Suprastrom steht im Mittelpunkt unseres Vorschlags“, erklärt José Carlos Egues.
Für die Auslese soll das Andreev-Qubit Teil einer geschlossenen supraleitenden Stromschleife sein. Eine schwach gekoppelte Detektorspule und ein hochempfindliches Magnetfeldmessgerät, ein supraleitendes Quanteninterferenzgerät (SQUID), würden die winzigen Veränderungen des Magnetfelds registrieren. Daraus ließe sich die zeitliche Entwicklung des Suprastroms bestimmen.
Bemerkenswert ist außerdem, dass die Stromschwingung ohne eine angelegte äußere Spannung entstehen könnte. Anders als beim gewöhnlichen Wechselstrom-Josephson-Effekt wäre die kohärente Entwicklung des Qubits selbst ihr Antrieb. Damit würde ein mikroskopischer Quantenzustand ein makroskopisch messbares elektrisches Signal erzeugen.