Mit der zunehmenden Entwicklung der Quantentechnologie nimmt auch der Wille zu, die physische Architektur effizienter und kommerziell nutzbar zu gestalten. Bei der Software wurden bereits große Fortschritte erzielt, aber die physische Architektur braucht noch viel Zeit bis zur Marktreife, sodass wir sie nicht so bald in unseren Computern sehen werden.

Was die physische Infrastruktur anbelangt, so werden gegenwärtig verschiedene Ansätze untersucht. Die Photonenverschränkung steht dabei im Zentrum des Interesses. Außerdem wird versucht, Quantenbits (Qubits) mithilfe von Halbleitermaterialien unter Zuhilfenahme von Quantencomputing-Technologien zu verschränken bzw. zu übertragen. Qubits lassen sich jedoch keineswegs ausschließlich mittels Photonen erschaffen bzw. verschränken, auch Elektronen oder polarisierte Atome können zu diesem Zweck eingesetzt werden. Neben einer photonischen Halbleiterinfrastruktur wird gegenwärtig an der Entwicklung elektronenbasierter Qubits und der Übertragung der darin befindlichen Daten mithilfe von supraleitenden Schaltungen gearbeitet.

Was sind supraleitende Schaltungen?

Bei supraleitenden Schaltungen handelt es sich um spezielle elektrische Schaltungen, die keinerlei elektrischen Widerstand aufweisen. Supraleitende Materialien weisen aufgrund der Überlagerung der Valenz- und Leitungsbänder im Elektronenorbital supraleitender Materialien keinerlei elektrischen Widerstand auf, und diese reibungslose elektronische Leitung kann für Schaltungen nutzbar gemacht werden.

Supraleitende Materialien

Supraleitende Materialien gehören (neben Halbleitern) zu den führenden Architekturen von Quantencomputern. Die in diesen Schaltungen existierende Supraleitfähigkeit ist eine Schlüsseleigenschaft auf der Makroebene, die durch die einzelnen Materialbestandteile der Schaltung hervorgerufen wird. Supraleitende Materialien weisen spezifische Quanteneffekte im Nanomaßstab auf, die sich zu einer Schaltung zusammenfügen, in der ein elektrischer Strom ohne jeglichen elektrischen Widerstand fließen kann.

Grundsätzlich verdanken supraleitende Materialien den subatomaren Wechselwirkungen im Material ihre besondere Funktionsweise. Auf dieser Ebene bilden die Ladungsträger einen einzelnen Quantenzustand, der als Quantentopf (oder auch als Potentialtopf) bezeichnet wird. Innerhalb dieser Quantentöpfe wird die Bewegungsfreiheit der Elektronen physikalisch eingeschränkt. Dies gilt jedoch nicht unbedingt für ihre elektronische Bewegungsfreiheit.

Wenn jeder einzelne Quantentopf vollständig von allen übrigen Quantentöpfen isoliert wird, dann ist er elektronisch eingeschränkt. Elektronen sind jedoch in der Lage, zu tunneln, weshalb sie sich physisch zwar an einem bestimmten Ort befinden können, ihre Wellenfunktion sich aber über ihre physikalische Reichweite hinweg bzw. aus dem Quantentopf hinaus erstrecken kann. Befinden sich also Quantentöpfe in unmittelbarer Nähe zueinander, können sich die Wellenfunktionen jedes einzelnen eingeschränkten Elektrons überlagern und sich miteinander verbinden. Verbinden sich die Elektronen innerhalb eines Quantentopfs miteinander, lässt sich elektrischer Strom ohne jeglichen Widerstand von einem zum anderen leiten, weil zwischen Quantenzuständen keinerlei elektrischer Widerstand existiert. Es handelt sich dann um einen supraleitenden Strom, der als grundlegender mechanistischer Baustein für supraleitende Schaltungen herangezogen werden kann.

Die Eigenschaften dieser Schaltungen haben zwar Vorteile, doch es gibt nur bestimmte Materialien, die diese Eigenschaften aufweisen – und noch weniger Materialien, die den supraleitenden Strom kontrollierter leiten können. Aus diesem Grund sind Nanodrähte zu einer der vielversprechendsten Optionen für supraleitende Schaltungen geworden.

Da es sich bei Nanodrähten um eindimensionale (1D) Materialien handelt, sind die Elektronen in zwei räumlichen Dimensionen quantenmäßig eingeschlossen. Folglich sind die Elektronen dazu in der Lage, in einer räumlichen Dimension zu tunneln, wodurch der elektrische Strom in eine Richtung fließen kann (ähnlich wie in einer klassischen Schaltung). Um effektiv und funktionell wie klassische Schaltungen zu sein, muss diese Supraleitung nutzbar gemacht und kontrolliert werden. Hier kommen verschiedene Quantenkomponenten ins Spiel, mit denen funktionelle supraleitende Schaltungen geschaffen werden können.

Der Bau supraleitender Schaltungen

Supraleitende Schaltungen gelten als stromsparende Option für die Übertragung supraleitender Qubits entlang von Quantenkanälen sowie als einer der potenziellen Bausteine technologischer Lösungen. Was die grundlegende Architektur und den Aufbau betrifft, so ähneln Halbleiterschaltungen den klassischen Schaltungen und erfordern immer noch viele Komponenten, die auch in klassischen Schaltungen verwendet werden, wie z. B. Stromquellen, Schalter, Gates, Quantenspeicher, Auslesevorrichtungen usw., die als integrierte Schaltungen gebaut werden können und supraleitende Chips bilden, die Quantenoperationen durchführen könnten. Der Hauptunterschied besteht in der Fähigkeit dieser Komponenten, Qubits statt herkömmliche Bits zu verwenden, zu übertragen und zu kommunizieren.

Abgesehen von den unterschiedlichen Komponenten, lassen sich mehrere der verschiedenen umgesetzten supraleitenden Qubit-Arten für die Konstruktion supraleitender Schaltungen verwenden. Dabei handelt es sich um Phasen-, Ladungs- und Fluss-Qubits und gegenwärtig werden Systeme umgesetzt, die sowohl einzelne als auch multiple Qubit-Systeme enthalten. Zwar stecken Schaltungen wie diese nach wie vor in den Kinderschuhen, doch wird bereits an neuen Ansätzen gearbeitet, um sie zu steuern bzw. zu manipulieren und mit ihrer Hilfe Daten zu speichern bzw. zu übertragen; daneben wird ausgehend von unterschiedlichen Magnetfeldern, elektrischen Feldern bzw. Injektionen hochenergetischer Elektronen versucht, dieses Ziel zu erreichen, um die Funktionsweise supraleitender Chips an die herkömmlicher Konfigurationen anzugleichen.

Viele der unterschiedlichen Komponenten in supraleitenden Schaltungen bewirken dieselben Effekte wie ihre herkömmlichen Gegenstücke, und versuchen sogar, diese zu imitieren, jedoch erweitert um die Fähigkeit, Quantenalgorithmen zu steuern, z. B. Schalter. Ein Unterscheidungsmerkmal supraleitender Quantenschaltungen besteht in der Verwendung von Josephson-Kopplungen, die in normalleitenden Schaltungen nicht zum Einsatz kommen. Josephson-Kopplungen sind schwache (aus einem Isolator bestehende) Verbindungen zwischen zwei supraleitenden Drähten, über die Elektronen von einem Draht zum anderen tunneln können. Josephson-Kopplungen verhindern die Unterbrechung der Wellenfunktionen auf beiden Seiten sowie das Überschreiten der kritischen Stromgröße durch einzelne Ströme. Aus diesem Grund spielen Josephson-Kopplungen in zahlreichen supraleitenden Chips sowie für die unterschiedlichen Quantenkomponenten eine zentrale Rolle.

Vor- und Nachteile von supraleitenden Schaltungen

Jede Art von Architektur, die für Quantentechnologien erdacht wurde, hat ihre eigenen Vor- und Nachteile. Das gilt auch für die vieldiskutierten photonischen Systeme als auch für supraleitende Schaltungen. Da sich jede Technologie weiterentwickelt, werden sich die verschiedenen Vor- und Nachteile im Zuge neuer Entwicklungen und Herausforderungen ändern, sodass dies kein statisches Thema sein wird.

De facto ist die Verwendung von Halbleiterschaltungen als Grundbaustein von Quantentechnologien mit zahlreichen Vorteilen verbunden. Einer davon betrifft Qubits: Dieses Verschränkungsverfahren kann stark gekoppelte Qubits erzeugen und es sind sowohl Einzel- als auch Multi-Qubit-Systeme möglich. Darüber hinaus lässt sich das Qubit-Potential supraleitender Qubits steuern und die Eigenschaften einzelner Qubits für das Erstellen eines „universellen“ Sets aus Quantengattern nutzen.

Was die Nachteile anbelangt, so ist der Strom durch einen Josephson-Übergang in der Regel sehr gering, und er kann mit Rauschen behaftet sein, sodass mehr getan werden muss, um das Rauschen zu verringern, was für Halbleiterschaltungen wichtig ist. Daneben besteht ein weiterer Nachteil supraleitender Schaltungen darin, dass ihre Kohärenz durch Fehler der Tunnelbarrieren der Josephson-Kupplung begrenzt wird und sich die Fertigung des Geräts auf die Qubit-Parameter auswirken kann, weshalb eine sorgfältige Herstellung notwendig ist, um möglichst geringfügige Abweichungen der Qubit-Parameter zu gewährleisten.

Einer der Hauptvorteile dieser Systeme in Form vollständiger Schaltungen besteht darin, dass Wissenschaftler und Ingenieure sie auf Chips herkömmlicher Computer anbringen. Dementsprechend sind diese Chips potenziell skalierbar. Unabhängig davon ist es noch ein langer, harter Weg, bis diese supraleitenden Chips sämtliche Komponenten steuern und miteinander vernetzen können, ohne dass zusätzliche Schichten auf den Chips angebracht werden müssen (wodurch sie größer werden). Dies kann zwar als Vorteil betrachtet werden, ist aber ein potenzieller Vorteil für die Zukunft, sobald einige der Probleme bei der Chipintegration gelöst sind.

Fazit

Es ist kein Geheimnis, dass supraleitende Schaltungen und andere Quantenarchitekturen noch ein gutes Stück vom kommerziellen Einsatz in Quantencomputern entfernt sind. Betrachtet man jedoch die Entwicklung klassischer Computersysteme in den letzten zwei oder drei Jahrzehnten, dann ist es nicht unvernünftig zu denken, dass grundlegende Quantencomputer schon bald zur Verfügung stehen – vor allem, wenn man bedenkt, wie viel Arbeit in sie investiert wird – und dass wir in zwei oder drei weiteren Jahrzehnten hochleistungsfähige Quantencomputer haben könnten.

Supraleitende Schaltungen bieten das Potenzial, supraleitende Qubits (aus Elektronen) in Quantenkanälen zu ermöglichen und bieten verschiedene Vorteile und Herausforderungen gegenüber photonenbasierten Architekturen. In den kommenden Jahren werden wir mit Spannung verfolgen, welche dieser beiden bedeutenden Architekturen sich durchsetzen wird, ob Quantensysteme beide Architekturen in sich vereinen werden oder ob sich auf dem Weg dorthin ein völlig anderer Ansatz entwickelt.