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Wie funktionieren supraleitende Qubits? Die Technologie hinter den Quantencomputern

Quantencomputer versprechen eine Revolution in der Rechenleistung, und supraleitende Qubits gehören zu den vielversprechendsten Technologien auf diesem Gebiet. Doch wie funktionieren sie genau? Warum setzen Unternehmen wie IBM, Google und Rigetti auf diese Technologie? In diesem Artikel werfen wir einen detaillierten Blick auf supraleitende Qubits, ihre Funktionsweise und die Herausforderungen, die es noch zu bewältigen gibt. 

1. Was sind supraleitende Qubits?
Ein klassischer Computer speichert Informationen in Form von Bits, die entweder den Zustand 0 oder 1 haben. In einem Quantencomputer hingegen kommen Qubits zum Einsatz, die dank der Prinzipien der Quantenmechanik zwei besondere Eigenschaften besitzen: 
• Superposition: Ein Qubit kann sich gleichzeitig im Zustand 0 und 1 befinden, was parallele Berechnungen ermöglicht. 
• Verschränkung: Mehrere Qubits können miteinander verknüpft werden, sodass ihr Zustand voneinander abhängt, unabhängig von der Distanz.
 
Supraleitende Qubits bestehen aus elektrischen Schaltkreisen, die bei extrem niedrigen Temperaturen supraleitend werden, also keinen elektrischen Widerstand mehr aufweisen. Die häufigste Implementierung basiert auf sogenannten Josephson-Kontakten – speziellen supraleitenden Bauelementen, die als künstliche Atome fungieren und quantenmechanische Zustände speichern können. 

2. Wie funktionieren supraleitende Qubits?

2.1. Die Rolle des Josephson-Kontakts
Ein supraleitendes Qubit wird durch einen Josephson-Kontakt realisiert – eine dünne Isolatorschicht zwischen zwei supraleitenden Schichten. Diese Struktur ermöglicht das Auftreten quantenmechanischer Effekte, die für die Speicherung und Manipulation von Qubitzuständen genutzt werden.

2.2. Der Resonator als Steuerungssystem
Supraleitende Qubits werden oft mit Mikrowellenresonatoren gekoppelt, die zur Steuerung und Messung der Qubitzustände dienen. Mit Mikrowellenimpulsen kann ein Qubit von |0⟩ nach |1⟩ und in eine Superposition versetzt werden.

2.3. Kohärenzzeit – die Herausforderung der Stabilität
Ein großes Problem supraleitender Qubits ist die Kohärenzzeit, also die Zeitspanne, in der ein Qubit in seinem Quantenzustand bleibt, bevor es durch Wechselwirkungen mit der Umgebung seine Information verliert. Fortschritte in der Materialwissenschaft haben diese Zeiten in den letzten Jahren verbessert, aber sie sind immer noch eine zentrale Herausforderung. 

3. Vorteile supraleitender Qubits 

• Schnelle Operationen: Supraleitende Qubits können in wenigen Nanosekunden manipuliert werden, was schnelle Berechnungen ermöglicht. 
• Gut steuerbar: Sie lassen sich präzise mit Mikrowellen steuern und auslesen. 
• Etablierte Fertigungstechnologie: Supraleitende Schaltkreise können mit bestehenden Halbleiterprozessen hergestellt werden. 

4. Herausforderungen und offene Fragen 

• Dekohärenz: Supraleitende Qubits verlieren ihre Quanteneigenschaften durch Umweltinteraktionen schnell. 
• Fehlerkorrektur: Quantenfehlerkorrektur ist notwendig, aber extrem rechenaufwendig. 
• Kryogene Kühlung: Supraleitende Qubits müssen bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (ca. 10 Millikelvin) betrieben werden, was komplexe Kühlungssysteme erfordert. 

5. Zukunftsperspektiven: Wo geht die Reise hin?
Führende Unternehmen arbeiten daran, supraleitende Qubits zu skalieren und Fehlerkorrektur zu verbessern. Google hat bereits ein Quantenüberlegenheitsexperiment mit einem supraleitenden Quantenprozessor namens Sycamore durchgeführt. IBM verfolgt mit der IBM Quantum Roadmap einen langfristigen Plan, um immer leistungsfähigere Quantenprozessoren zu entwickeln.
 
Zukünftige Verbesserungen könnten topologische Qubits oder neue Materialien umfassen, um die Kohärenzzeiten weiter zu verlängern. 

Fazit: Eine Schlüsseltechnologie für die Quantenrevolution
Supraleitende Qubits sind eine der vielversprechendsten Technologien für Quantencomputer, doch es gibt noch zahlreiche Herausforderungen zu bewältigen. Die nächsten Jahre werden zeigen, ob diese Technologie in der Lage ist, sich durchzusetzen – oder ob alternative Qubit-Technologien wie Ionenfallen oder photonische Qubits den Wettlauf gewinnen.

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