Die Suche nach leistungsfähigeren Quantencomputern könnte von einer Technologie abhängen, die vor Jahrzehnten verworfen wurde: supraleitende Schaltkreise. Während in den 1980er-Jahren ein anfänglicher Hype um diese hocheffizienten Komponenten herrschte, wurden sie schließlich durch herkömmliche, wärmeabgebende Chips verdrängt. Jetzt greift eine neue Generation von Forschern diesen Ansatz erneut auf und hat das Potenzial, die Skalierbarkeit und Effizienz des Quantencomputings dramatisch zu verbessern.
Das vergessene Versprechen der Supraleitung
Im Jahr 1980 investierte IBM stark in die Supraleitungstechnologie und stellte sich Computer vor, die den Energieverlust minimieren und die Leistung maximieren würden. Scientific American zeigte auf dem Cover sogar einen supraleitenden Schaltkreis, der auf das wahrgenommene Potenzial der Technologie hinweist. Die Notwendigkeit, extrem niedrige Temperaturen aufrechtzuerhalten, erwies sich jedoch als zu kostspielig und unpraktisch, was IBM dazu veranlasste, die Bemühungen 1983 aufzugeben. Trotz dieses Rückschlags blieben die zugrunde liegenden Prinzipien weiterhin relevant.
SEEQC: Supraleitung wieder in den Vordergrund rücken
Ein Unternehmen, SEEQC, belebt diesen Ansatz aktiv wieder. Ihre Einrichtung im Bundesstaat New York setzt die Forschung fort, die im Rahmen des geschlossenen supraleitenden Computerprogramms von IBM initiiert wurde. Das Unternehmen möchte supraleitende Chips nutzen, um aktuelle Einschränkungen beim Design von Quantencomputern zu überwinden. Ihr Herstellungsprozess umfasst das sorgfältige Schichten von ultradünnem Niobmetall auf dielektrischen Materialien, wodurch empfindliche Strukturen entstehen, die für Quantenoperationen unerlässlich sind.
Das Kernproblem: Energieeffizienz im Quantencomputing
Herkömmliche Computer verlieren Energie in Form von Wärme und werden dadurch in großem Maßstab ineffizient. Michael Frank, ein Informatiker, stellte fest, dass ein typischer Computer im Wesentlichen eine teure Heizung mit einem kleinen rechnerischen Nebeneffekt ist. Supraleitende Komponenten hingegen übertragen Elektrizität mit perfekter Effizienz und eliminieren so diese Verschwendung. Die Herausforderung besteht darin, die für die Supraleitung erforderliche extreme Kälte aufrechtzuerhalten – nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt.
Die zweite Chance des Quantencomputings mit Supraleitern
Supraleiter tauchten Ende der 1990er Jahre mit der Entwicklung des ersten supraleitenden Qubits wieder auf. Dies markierte einen Wandel von der Replikation herkömmlicher Computer zur Erforschung völlig neuer Computerparadigmen. Heute nutzen Google und IBM supraleitende Qubits in ihren leistungsstärksten Quantencomputern und demonstrieren damit mögliche Durchbrüche bei der wissenschaftlichen Problemlösung.
Der Flaschenhals: Quantensysteme skalieren
Trotz dieser Fortschritte bleiben Quantencomputer durch praktische technische Hürden begrenzt. Das Hinzufügen weiterer Qubits – den grundlegenden Bausteinen der Quantenberechnung – erfordert exponentiell zunehmende Kontrollmechanismen und Verkabelung. Die schiere physikalische Komplexität erzeugt Wärme, beeinträchtigt die Qubit-Leistung und schränkt letztendlich die Skalierbarkeit ein.
SEEQCs Lösung: Integrierte supraleitende Steuerchips
Die Innovation von SEEQC beseitigt diesen Engpass. Sie haben einen Chip entwickelt, der supraleitende Qubits mit einem herkömmlichen supraleitenden Steuerschaltkreis integriert. Dieses Design macht sperrige, energieintensive Raumtemperaturkomponenten überflüssig, die derzeit in der Quantencomputerarchitektur dominieren.
Zu den wichtigsten Vorteilen gehören:
- Reduzierte Hitze: Indem alle Komponenten in der gleichen kryogenen Umgebung gehalten werden, minimiert das System externe Wärmeeinflüsse.
- Energieeffizienz: Der supraleitende Steuerchip arbeitet mit einem Bruchteil der Energie, die herkömmliche Alternativen benötigen, und verbessert möglicherweise die Energieeffizienz um den Faktor einer Milliarde.
- Vereinfachte Architektur: Das integrierte Design reduziert die Verkabelungskomplexität und Signalverzögerungen und verbessert die Qubit-Steuerung und Fehlerkorrektur.
Der Weg in die Zukunft
SEEQC testet seine Chips derzeit mit verschiedenen Qubit-Designs und zeigt vielversprechende erste Ergebnisse. Allerdings bleibt die Skalierung auf die von Forschern wie David DiVincenzo ins Auge gefassten Millionen-Qubit-Maschinen eine große Herausforderung. Das Unternehmen befasst sich auch mit grundlegenden physikalischen Fragen, beispielsweise mit der Verhinderung, dass Quantenwirbel die Leistung von Qubits beeinträchtigen.
Letztendlich könnte die Wiederbelebung der supraleitenden Technologie der 1980er Jahre die Zukunft des Quantencomputings neu definieren. Durch die Rationalisierung der Architektur und die Maximierung der Effizienz bietet der Ansatz von SEEQC einen Weg zu leistungsfähigeren, skalierbareren und nachhaltigeren Quantensystemen.
