Rechnen in In supraleitenden Schaltkreisen Was sind Transmons – Transmission Line Shunted Plasma Oscillation Qubits?

Anbieter zum Thema

Rosenberger-OSI GmbH & Co. OHG

Data Center Group – Büro Köln

PQ Plus GmbH

Ein Transmon ist ein spezialisierter Typ eines supraleitenden Qubits, der durch seine reduzierte Empfindlichkeit gegenüber Ladungsrauschen für effizientere Quantenberechnungen sorgt.

Der Begriff Transmon Qubit, ausgeschrieben: Transmission Line Shunted Plasma Oscillation Qubit, bezeichnet einen speziellen Typ von supraleitendem Ladungs-Qubit beziehungsweise Ladungs-Quantenbit. In supraleitenden Schaltkreisen integrierte Transmons verbessern die Genauigkeit von Quantenberechnungen und steigern die Effizienz sowie die Skalierbarkeit des Gesamtsystems.

Ein supraleitender Transmon-Qubit-Prozessor stellt derzeit die technologisch am weitesten fortgeschrittene Plattform für Quantencomputer dar und wird daher von Branchengrößen wie Google, IBM und anderen intensiv weiterentwickelt. So hat beispielsweise IBM in Ehningen bei Stuttgart in vergangenen Jahr sein erstes europäisches Quanten-Rechenzentrum eröffnet, das über mehrere Quantencomputersysteme mit Quantenprozessoren von mehr als 100 Qubits verfügt (siehe: „Bundeskanzler Olaf Scholz: „Deutschland kann Quantencomputer“; IBM eröffnet in Ehningen ein zweites Quantum Datacenter“).

Bundeskanzler Olaf Scholz: „Deutschland kann Quantencomputer“

IBM eröffnet in Ehningen ein zweites Quantum Datacenter

In eine ähnliche Kerbe schlägt Google mit seinem Quantenprozessor „Willow“, der 105 supraleitende Qubits einsetzt. Der Chip soll laut Google eine Rechenaufgabe binnen 5 Minuten gelöst haben, wofür selbst die heutzutage schnellsten Supercomputer 10 Quadrillionen (1025) Jahre benötigen würden (siehe: „Quantensprung beim Quantum-Prozessor; Der Quantenchip Google Willow “).

Quantensprung beim Quantum-Prozessor

Der Quantenchip Google Willow

Was unterscheidet Transmon- von Standard-Qubits

Ein Transmon wird durch Mikrowellenstrahlung gesteuert, die die Übergänge zwischen den Energiezuständen des Qubits induziert. Anders als ein Standard-Qubit weist dieser Typ des supraleitenden Qubits eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Ladungsrauschen auf und ist damit weniger anfällig für Störungen durch Umgebungsladungen, was sich positiv auf Stabilität und Zuverlässigkeit auswirkt.

Dadurch kann ein Transmon auch bei höheren Frequenzen betrieben werden, was die Quantenberechnungen effizienter macht. Zu hohes Ladungsrauschen kann zum Beispiel dazu führen, dass ein Qubit seinen Quantenzustand verliert (Dekohärenz), was die Genauigkeit der Quantenberechnungen beeinträchtigt.

Hergestellt wird die geringere Empfindlichkeit durch die Kombination eines großen Kondensators und eines Josephson-Kontakts, zwei supraleitenden Elektroden, die durch eine dünne Isolierschicht voneinander getrennt sind. Der Kondensator reduziert die Empfindlichkeit des Qubits gegenüber Ladungsrauschen, indem er die Kapazität des Systems erhöht und somit die Ladungsschwankungen ausgleicht. Der Josephson-Kontakt fungiert als Induktivität und sorgt für eine stabile Energiebarriere zwischen den Zuständen des Qubits.

Qubit versus Bit: Rechen-Vorteile durch Überlagerung und Verschränkung

Im Gegensatz zu herkömmlichen Bits können Transmons sowie Qubits nicht nur binäre Werte (0 oder 1) als Speicherwert aufnehmen, um Informationen zu verarbeiten, sondern je nach anliegendem Energiezustand theoretisch auch unendlich viele andere Werte, so beispielsweise auch höhere Energiezustände wie 0 und 1 gleichzeitig (die so genannte Überlagerung, auch Superposition oder Kohärenz genannt). In der Praxis bleibt es meistens bei 0, 1 sowie der Kombination aus 0 und 1. Der niedrigste Energiezustand eines Qubits ist die 0, der erste höhere beziehungsweise der erste angeregte Zustand die 1.

Eine weitere quantenmechanische Eigenschaft der Qubits ist die Verschränkung. Dabei hängt der Zustand eines Qubits vom Zustand eines jeweils anderen ab, auch wenn sie räumlich voneinander getrennt sind. Derart verschränkte Qubits können Informationen auf eine Weise teilen, die klassischen Bits nicht möglich ist. Eine weitere Besonderheit: Qubits rechnen mit Wahrscheinlichkeiten und befähigen Quantencomputer, mehrere Lösungsmöglichkeiten eines Problems gleichzeitig zu testen.

Quantenmechanische Eigenschaften wie Überlagerung und Verschränkung sorgen dafür, dass Qubits komplexe Rechenprobleme wesentlich effizienter und schneller durchführen können als ein klassischer (Super-)Computer. In welchen Größenordnungen das geschehen kann, zeigt das oben genannte Beispiel des Google-Prozessors Willow.

(ID:50330049)