Eine Gruppe von Wissenschaftlern, bestehend aus Mitarbeitenden von IQM Quantum Computers, von der Aalto-Universität und von VTT, dem Technischen Forschungszentrum Finnland, hat das Unimon, ein neues supraleitendes Qubit, entdeckt. Damit lässt sich die Genauigkeit von Quantenberechnungen erhöhen. Das Team hat die ersten Quantenlogikgatter mit Unimons mit einer Genauigkeit von 99,9 Prozent entwickelt – ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zum Bau gewerblich nutzbarer Quantencomputer. Diese entscheidende Forschungsarbeit wurde gerade in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
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Figure. Artistic impression of a unimon qubit in a quantum processor. Credits: Aleksandr Kakinen. (Graphic: Business Wire)
Unter den verschiedenen Strategien zum Bau praktisch nutzbarer Quantencomputer stehen supraleitende Qubits an der Spitze. Die derzeit genutzten Qubit-Designs und -Techniken liefern jedoch noch nicht die nötige Leistungsfähigkeit für praktische Anwendungen. In dieser NISQ-Ära („Noisy Intermediate-Scale Quantum“) ist die Komplexität der implementierbaren Quantenberechnungen meist durch Fehler in 1- und 2-Qubit-Quantengattern begrenzt. Damit sie praktisch nutzbar werden, müssen die Quantenberechnungen genauer werden.
„Unser Ziel ist es, Quantencomputer zu bauen, die für die Lösung von Problemen in der realen Welt echte Vorteile bieten. Unsere heutige Meldung ist ein wichtiger Meilenstein für IQM und ein sehr wichtiger Erfolg auf dem Weg zu besseren supraleitenden Quantencomputern“, so Mikko Möttönen, Professor für Quantentechnologie an der Aalto-Universität und am VTT sowie Mitgründer und wissenschaftlicher Leiter von IQM Quantum Computers, der das Forschungsprojekt leitete.
Heute stellte IQM mit dem Unimon einen neuen supraleitenden Qubit-Typ vor, der in einem einzigen Schaltkreis die gewünschten Eigenschaften vereint: eine erhöhte Anharmonizität, völlige Unempfindlichkeit gegenüber Gleichstromrauschen, geringere Empfindlichkeit gegenüber magnetischem Rauschen und eine einfache Struktur, die nur aus einem einzigen Josephson-Kontakt in einem Resonator besteht. Das Team erreichte bei 13 Nanosekunden langen 1-Qubit-Gattern mit drei verschiedenen Unimon-Qubits eine Genauigkeit von 99,8 bis 99,9 Prozent.
„Durch die höhere Anharmonizität bzw. Nichtlinearität, als dies bei Transmons der Fall ist, können wir Unimons schneller betreiben, was zu weniger Fehlern pro Operation führt“, so Eric Hyyppä, der bei IQM an seiner Promotion arbeitet.
Um das Unimon experimentell vorzuführen, haben die Wissenschaftler Chips entwickelt und hergestellt, die jeweils aus drei Unimon-Qubits bestehen. Als supraleitendes Material nutzten sie Niob, mit Ausnahme der Josephson-Kontakte, bei denen die supraleitenden Leitungen aus Aluminium hergestellt wurden.
„Ich möchte Eric Hyyppä und den übrigen Teammitgliedern, die unermüdlich an diesem großen Erfolg mitgearbeitet haben, danken und ihnen gratulieren“, so Prof. Möttönen.
Dem Team gelang der Nachweis, dass das Unimon-Qubit eine relativ hohe Anharmonizität aufweist, dabei nur einen einzigen Josephson-Kontakt ohne Superinduktoren benötigt und gegen Rauschen geschützt ist. Die geometrische Induktivität des Unimons besitzt das Potenzial für eine höhere Vorhersagbarkeit und Ausbeute als die Superinduktoren herkömmlicher Fluxonium- oder Quarton-Qubits, die auf Kontakt-Arrays basieren.
„Unimons sind so einfach und weisen dennoch viele Vorteile gegenüber Transmons auf. Die Tatsache, dass das allererste Unimon, das jemals hergestellt wurde, so gut funktioniert hat, bietet viel Raum für Optimierungen und große Durchbrüche. Als Nächstes sollten wir das Design optimieren, um einen noch höheren Rauschschutz zu erzielen, und Zwei-Qubit-Gatter schaffen“, so Prof. Möttönen weiter.
Bei den gewerblichen Quantencomputern von IQM kommen noch Transmon-Qubits zum Einsatz. IQM liefert bereits standortbasierte Quantencomputer mit Transmons. So baut IQM in Finnland im Rahmen eines gemeinsamen Innovationsprojekts mit VTT, dem Technischen Forschungszentrum Finnland, den ersten 54-Qubit-Quantencomputer. Das von IQM geleitete Konsortium Q-Exa baut in Deutschland einen 20-Qubit-Quantencomputer, der in einen Supercomputer integriert werden soll. Bei dem jetzt hervorgebrachten Unimon handelt es sich um ein alternatives Qubit, das in Zukunft zu einer höheren Genauigkeit bei Quantenberechnungen führen könnte.
„Wir streben weitere Verbesserungen beim Design, bei den Materialien und bei der Gatterzeit des Unimons an, um das Ziel einer Genauigkeit von 99,99 Prozent zu erreichen, die für die praktische Nutzung der Quantentechnologie bei verrauschten Systemen und einer effizienten Quantenfehlerkorrektur von Vorteil ist. Dies ist ein sehr spannender Tag für die Quantencomputertechnik“, bemerkte Prof. Möttönen abschließend.
Über IQM Quantum Computers:
IQM ist der europäische Marktführer beim Bau von Quantencomputern. IQM bietet Supercomputing-Rechenzentren und Forschungslabors die Installation von Quantenrechnern vor Ort an und erlaubt vollen Zugang zu seiner Hardware. Für Industriekunden strebt IQM Quantenvorteile durch eine spezielle anwendungsspezifische Co-Design-Strategie an. IQM baut gemeinsam mit dem Technischen Forschungszentrum Finnland (VTT) den ersten 54-Qubit-Quantencomputer in Finnland. Das von IQM geleitete Konsortium Q-Exa baut einen Quantencomputer in Deutschland. Dieser Computer wird in einen High-Performance-Supercomputer integriert werden, um dessen Forschungsleistung durch die Quantentechnologie zu beschleunigen. IQM beschäftigt mehr als 200 Mitarbeitende und unterhält Niederlassungen in Paris, Madrid, München und im finnischen Espoo.
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