Die kleinste klassische Informationseinheit ist das Bit. Es kann zwei Werte annehmen: 0 oder 1. Im Unterschied dazu ist bei einem Qubit auch jede Überlagerung dieser beiden Zustände möglich. Erst durch eine Messung wird der finale Zustand festgelegt, wobei die Quanteninformation (die Überlagerung) in klassische Information (0 oder 1) umgewandelt wird. Diese Eigenschaft der Qubits bildet die Basis unterschiedlicher Anwendungen von der Quantenmetrologie über die Quantenkommunikation bis hin zum Quantencomputing.
Qubits lassen sich auf vielfältige Art und Weise realisieren. Es braucht dazu ein quantenmechanisches System, das sich durch solch einen Überlagerungszustand beschreiben lässt. Das können einzelne Elektronen- oder Kernspins sein, bestimmte Zustände von Atomen und Ionen oder die Polarisation einzelner Photonen. Darüber hinaus können Qubits jedoch auch in Form maßgeschneiderter Quantensysteme in Festkörpern realisiert werden.
Die Anforderungen an Qubits variieren je nach Anwendung stark. Während die Durchführung lokaler Rechenoperationen häufig stationäre Qubits erfordert, deren Wechselwirkung sich sowohl untereinander als auch mit ihrer Umgebung einstellen lässt, erfordert der Transfer von Quanteninformation über große Distanzen sogenannte fliegende Qubits in Form von Photonen.
Stationäre Qubits
Stationäre Qubits lassen sich auf verschiedene Arten realisieren: Es können einzeln adressierbare Quantensysteme, wie gefangene Atome oder Ionen, sowie einzelne Spinsysteme in Festkörpern, wie Elektronen- oder Kernspins verwendet werden. Dabei können atomare Energieniveaus oder zwei ausgewählte Spinzustände genutzt und gezielt durch Laser- oder Mikrowellenpulse kontrolliert werden. Andere Qubits basieren auf elektronischen Schwingungszuständen in supraleitenden Quantenschaltkreisen: Man nutzt dafür supraleitende Elektroden, zwischen denen Elektronenpaare sich mithilfe des quantenmechanischen Tunneleffekts bewegen können (Josephson-Kontakte). Diese Qubits werden bei sehr tiefen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt betrieben und können durch Mikrowellenpulse präzise angesteuert und gemessen werden. Um mit diesen stationären Qubits rechnen zu können, werden mehrere Qubits zu verschränkten Zuständen verbunden. Typischerweise wird dabei die Kopplung zwischen zwei oder mehreren Qubits durch Anpassung ihrer Übergangsfrequenzen aktiviert.
Die kleinste klassische Informationseinheit ist das Bit. Es kann zwei Werte annehmen: 0 oder 1. Im Unterschied dazu ist bei einem Qubit auch jede Überlagerung dieser beiden Zustände möglich. Erst durch eine Messung wird der finale Zustand festgelegt, wobei die Quanteninformation (die Überlagerung) in klassische Information (0 oder 1) umgewandelt wird. Diese Eigenschaft der Qubits bildet die Basis unterschiedlicher Anwendungen von der Quantenmetrologie über die Quantenkommunikation bis hin zum Quantencomputing.
Qubits lassen sich auf vielfältige Art und Weise realisieren. Es braucht dazu ein quantenmechanisches System, das sich durch solch einen Überlagerungszustand beschreiben lässt. Das können einzelne Elektronen- oder Kernspins sein, bestimmte Zustände von Atomen und Ionen oder die Polarisation einzelner Photonen. Darüber hinaus können Qubits jedoch auch in Form maßgeschneiderter Quantensysteme in Festkörpern realisiert werden.
Die Anforderungen an Qubits variieren je nach Anwendung stark. Während die Durchführung lokaler Rechenoperationen häufig stationäre Qubits erfordert, deren Wechselwirkung sich sowohl untereinander als auch mit ihrer Umgebung einstellen lässt, erfordert der Transfer von Quanteninformation über große Distanzen sogenannte fliegende Qubits in Form von Photonen.
Stationäre Qubits
Stationäre Qubits lassen sich auf verschiedene Arten realisieren: Es können einzeln adressierbare Quantensysteme, wie gefangene Atome oder Ionen, sowie einzelne Spinsysteme in Festkörpern, wie Elektronen- oder Kernspins verwendet werden. Dabei können atomare Energieniveaus oder zwei ausgewählte Spinzustände genutzt und gezielt durch Laser- oder Mikrowellenpulse kontrolliert werden. Andere Qubits basieren auf elektronischen Schwingungszuständen in supraleitenden Quantenschaltkreisen: Man nutzt dafür supraleitende Elektroden, zwischen denen Elektronenpaare sich mithilfe des quantenmechanischen Tunneleffekts bewegen können (Josephson-Kontakte). Diese Qubits werden bei sehr tiefen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt betrieben und können durch Mikrowellenpulse präzise angesteuert und gemessen werden. Um mit diesen stationären Qubits rechnen zu können, werden mehrere Qubits zu verschränkten Zuständen verbunden. Typischerweise wird dabei die Kopplung zwischen zwei oder mehreren Qubits durch Anpassung ihrer Übergangsfrequenzen aktiviert.
Qubit-Schnittstellen für das Quanten-Internet
Ein zukünftiges Quanten-Internet wird auch den Transfer von Quanteninformation von fliegenden auf stationäre Qubits und umgekehrt erfordern. So müssen räumlich entfernte Quantenprozessoren, die aus vielen wechselwirkenden stationären Qubits bestehen, für das verteilte Quantenrechnen miteinander verbunden werden, ohne dabei die Quanteneigenschaft der Information zu verlieren. Entsprechende Schnittstellen müssen also einzelne stationäre Qubits effizient in Photonen umwandeln, bzw. die Quanteninformation einzelner Photonen in den Zustand eines stationären Qubits überführen. Die Entwicklung solcher Qubit-Schnittstellen erfordert noch besondere Anstrengungen der Forschenden weltweit, da fliegende und stationäre Qubits aufgrund ihrer unterschiedlichen Anforderungen ja bislang noch in unterschiedlichen Quantensystemen realisiert werden, was ihre Wechselwirkung erschwert.
Ein Blick nach vorne
Künftig gilt es insbesondere, die Robustheit und Skalierbarkeit von Qubit-Systemen weiter zu verbessern. In einem Quanteninternet müssen identische fliegende Qubits auch von vielen räumlich getrennten Quantensystemen erzeugt sowie komplexe Zustände aus einer Vielzahl verschränkter Photonen generiert werden können. Im Bereich des Quantencomputings mit stationären Qubits müssen Fehlervermeidungs- und Fehlerkorrekturalgorithmen implementiert werden, um nützliche Quantenalgorithmen auf großen Systemen mit kleinen intrinsischen Fehlern zu ermöglichen. Herausforderungen sind hier insbesondere die Abschirmung der Quantenzustände gegenüber Störeinflüssen, um Quantenoperationen auch mit Tausenden von Qubits oder mehr mit höchster Güte durchführen zu können.