Quantencomputer zeigen Potenzial bei der Lösung von Problemen, die für herkömmliche Maschinen schwer zu bewältigen sind, aber das Problem der Dekohärenz bremst ihre Entwicklung. Wenn Qubits mit ihrer Umgebung interagieren, geht Information leicht verloren, und elektromagnetisches Rauschen kann Quantenzustände zerstören. Forschende der Chalmers University of Technology haben ein neuartiges Quantensystem entworfen, das um riesige Superatome herum aufgebaut ist und darauf abzielt, Dekohärenz zu reduzieren und die Stabilität zu erhöhen.
Diese von Postdoktorand Lei Du geleitete Studie vereint erstmals die Konzepte der Riesenatome und der Superatome. Riesenatome sind an mehreren Punkten mit Licht- oder Schallwellen verbunden, was einen „Quantenecho“-Effekt erzeugt, der zur Erhaltung von Quanteninformation beiträgt. Superatome bestehen aus mehreren Atomen, die einen Quantenzustand teilen und als Einheit agieren. Das riesige Superatom kombiniert diese beiden Eigenschaften und bietet so ein neues Werkzeug zur Kontrolle von Quanteninformation.
„Man kann sich riesige Superatome als mehrere Riesenatome vorstellen, die als eine Einheit zusammenarbeiten und nicht-lokale Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie aufweisen. Dies ermöglicht es, Quanteninformation von mehreren Qubits innerhalb einer Einheit zu speichern und zu kontrollieren, ohne auf zunehmend komplexe Umgebungsschaltkreise angewiesen zu sein“, erklärt Lei Du. Der Mitautor der Studie, Anton Frisk Kockum, fügt hinzu: „Diese Selbstwechselwirkung führt zu hochgradig nützlichen Quanteneffekten, reduziert die Dekohärenz und verleiht dem System eine Form von Gedächtnis für vergangene Wechselwirkungen.“
Das riesige Superatom-System verspricht, die Fähigkeit zur Quantenverschränkung zu erweitern, was für den Bau leistungsstarker Quantencomputer entscheidend ist. Die Forschenden beschreiben zwei Verbindungsarten: eine dichte Anordnung zur Übertragung von Quantenzuständen ohne Informationsverlust und eine Verbindung über große Entfernungen zur Verteilung von Verschränkung. Dies ebnet den Weg für Anwendungen in der Quantenkommunikation und -netzwerken.
Janine Splettstoesser, Professorin für Angewandte Quantenphysik an der Chalmers University of Technology, sagt: „Riesige Superatome öffnen die Tür zu völlig neuen Fähigkeiten und bieten uns einen mächtigen neuen Werkzeugkasten. Sie ermöglichen es uns, Quanteninformation zu kontrollieren und Verschränkung auf bisher unerreichte und sogar bisher unmögliche Weise zu erzeugen.“ Das Design kann mit anderen Quantentechnologien integriert werden und fördert so die Entwicklung skalierbarer und praktischer Quantensysteme.
Veröffentlichungsdetails: Autoren: Lei Du, Xin Wang, Anton Frisk Kockum, Janine Splettstoesser; Titel: „Giant superatoms“ could finally solve quantum computing’s biggest problem; veröffentlicht in: Physical Review Letters (2025); Journal Information: Physical Review Letters
