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pte20210614018 Forschung/Entwicklung, Technologie/Digitalisierung

Isolatoren bringen Quantenbits zum Schwitzen

Forscher der Universität Innsbruck sehen schwach- bis nichtleitende Materialien als Störquellen


Ionenfalle: legt den Abstand zwischen Ionen und Optik fest (Foto: uibk.ac.at)
Ionenfalle: legt den Abstand zwischen Ionen und Optik fest (Foto: uibk.ac.at)

Innsbruck (pte018/14.06.2021/10:30) - Auf dem Weg zur Perfektionierung von Ionenfallen-Quantencomputern mit möglichst vielen Quantenbits haben Forscher der Universität Innsbruck http://uibk.ac.at nun eine weitere Störquelle identifiziert, die es bereits bei der Entwicklung auszuschließen gilt - nämlich schwach- bis nichtleitende Materialien.

Isolatoren als Hemmschuhe

Bei Ionenfallen-Quantencomputern werden geladene Teilchen mit elektromagnetischen Feldern in einer Vakuumkammer gefangen und so präpariert, dass sie als Träger für Information dienen und mit ihnen gerechnet werden kann. Die quantenmechanischen Eigenschaften, die man sich dabei zunutze macht, sind allerdings sehr störungsanfällig. Schon kleinste Unzulänglichkeiten können die stark gekühlten Teilchen aufheizen und so zu Fehlern bei der Verarbeitung der Quanteninformation führen.

Eine Quelle für solche Störungen sind schwach- oder nichtleitende Materialien, zum Beispiel Isolatoren in metallischen Ionenfallen oder in Optiken, die für die Kopplung mit Laserlicht nötig sind. "Selbst bei Ionenfallen, die ausschließlich aus Metall bestehen, würden Oxidschichten auf den Metallen solche Störungen verursachen", so Forscherin Tracy Northup. Ihr Team hat mit Partnern in Innsbruck und in den USA einen Weg gefunden, den Einfluss dielektrischer Materialien auf geladene Teilchen in Ionenfallen zu bestimmen.

"Theorie und Experiment stimmen"

Die Quantenphysiker haben eine Ionenfalle entwickelt, in der sie den Abstand zwischen den Ionen und dielektrischen Optiken genau einstellen können. Sie haben den Umfang des durch das dielektrische Material verursachten Rauschens für diese Ionenfalle rechnerisch ermittelt und mit Daten aus Experimenten verglichen. "Theorie und Experiment stimmen sehr gut überein und bestätigen, dass diese Methode gut dafür geeignet ist, den Einfluss von dielektrischen Materialien auf die Ionen zu bestimmen", so Markus Teller aus dem Innsbrucker Team.

Beim Berechnen des Rauschens kam das Fluktuations-Dissipations-Theorem aus der Statistischen Physik zur Anwendung, das die Reaktion eines Systems im thermischen Gleichgewicht auf eine kleine äußere Störung mathematisch beschreibt. "In Quantencomputern gibt es viele mögliche Quellen für Störungen, und es ist sehr schwierig, die genauen Ursachen auseinanderzuhalten", ergänzt Northup. Nachdem die Innsbrucker Physiker die Methode an ihrer eigenen Ionenfallen erprobt haben, wollen sie nun deren Einsatz an Ionenfallen befreundeter Forschungsgruppen in den USA und der Schweiz erproben.

(Ende)
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