Vielteilchenphysik in supraleitenden Schaltkreisen

Die Physik von Vielteilchen-Systemen is allgegenwärtig in unserem täglichem Leben. Wir begegnen ihr im Verhalten von Wassermolekülen in den Formen Eis, Flüssigkeit und Gas oder auch beim Verhalten von Autos im Verkehr. Die Physik der Vielteilchen-Systeme ist weiter unterteilt in Phänomene mit und ohne makroskopischen Energie- oder auch Teilchen-Fluss. Die Physik von Vielteilchen-Systemen ohne makroskopischen Energie- oder Teilchenfluss, wie zum Beispiel die verschiedenen Aggregatzustände von Wasser, ist zu großen Teilen verstanden und wird unter dem Begriff (Gleichgewichts-) Thermodynamik zusammengefasst. Die restlichen Vielteilchenphänomene, wie zum Beispiel rotierendes Wasser in einem Eimer sind weitaus weniger gut untersucht. Viele der aktuellen Forschungsprojekte beschäftigen sich mit Vielteilchensystemen, die auch noch den Regeln der Quantenmechanik unterliegen. Die Quantenmechanik hat uns unter anderem gezeigt, dass auch Felder so wie zum Beispiel das Schwingungsfeld einer Trommel oder Licht zwischen zwei Spiegeln Teilcheneigenschaften besitzt. Im Sinne der Quantenmechnik kann also die Trommel oder auch die zwei Spiegel als Container für Schwingungsteilchen beziehungsweise Lichtteilchen betrachtet werden. Wir beschäftigen uns mit der Physik von supraleitenden Schaltkreisen. In Analogie zu den Schwingungsteilchen der Trommel oder auch den Lichtteilchen zwischen den Spiegeln kann man sich die supraleitenden Schaltkreise als Container für Mikrowellen-Teilchen vorstellen. Diese Mikrowellen-Teilchen zeigen interessante Vielteilchenphänomene mit Energie- und Teilchenfluss. Die quantenmechanischen Effekte in den supraleitenden Schaltkreisen sind allerdings sehr fragil und die Experimente müssen sehr gut abgeschirmt, und bei sehr tiefen Temperaturen betrieben werden. Die Temperaturen sind so niedrig, dass die Schaltkreise in einen supraleitenden Zustand übergehen und sich wie sehr große Atome verhalten und nicht mehr wie die Schaltkreise, die wir zum Beispiel von Computerchips oder auch aus unserem Fernseher kennen. Unser Ziel ist es eine spezielle Wechselwirkung zwischen den Mikrowellen-Photonen zu erzeugen und deren Folgen zu verstehen. Man kann sich unser Vielteilchensystem wie eine Gruppe von Trollen vorstellen die auf alle auf einer Linie stehen und miteinander mit mehreren Bällen spielen. Trolle dürfen immer nur Bälle von Trollen zu ihrer linken Seite auffangen und können dann nur den Ball an Trolle zu ihrer rechten Seite weiterwerfen. Sie dürfen nur maximal einen Ball in der Hand halten. Wir versuchen Schaltkreise zu finden die genau dieses Verhalten der Trolle imitieren. Ausserdem versuchen wir Antworten auf Fragen zu finden wie zum Beispiel: Wie wahrscheinlich ist es, dass zwei Trolle nebeneinander gleichzeitig einen Ball in der Hand halten? Die Antwort auf Fragen diesen Typs gibt uns Hinweise auf quantenmechanische Prinzipien und könnte in Zukunft auf neue Möglichkeiten der Informationsverarbeitung hinweisen.

Im Rahmen des Projekts haben wir das Design für einen Quantenprozessor entwickelt der möglicherweise schneller als jeder klassische Computer ist. Der Prozessor funktioniert nach dem Quanten-Annealing Prinzip, das wiederum vom Annealing aus der Metallurgie abgeleitet ist. Es ist schon seit langem bekannt, dass man Metalle, zum Beispiel in einem Schwert, erhitzen und langsam wieder abkühlen kann um sie zu härten. Hierbei wird die chaotische Bewegung der einzelnen Eisenmoleküle in der Klinge, die durch das Erhitzen bewirkt wird, benutzt um eine bessere Verteilung der Eisenatome, ohne Leerstellen und anderweitigen Fehlstellungen im Eisen zu erreichen. Quanten-Annealing benutzt die Quantenfluktuationen, anstatt den thermischen Fluktuationen, um optimale Konfigurationen für schwierige Optimierungsaufgaben zu finden. So lässt sich zum Beispiel das berühmte Travelling Salesman Problem lösen, in dem es darum geht die kürzeste Route für einen Geschäftsmann zu finden bei der er immer noch alle Städte besuchen kann die er sich vorher vorgenommen hat. Diese Art von Problemen ziehen sich durch alle Lebens- und Geschäftsbereiche. Gleichzeitig ist bekannt, dass diese Probleme nicht effizient mit herkömmlichen Computern lösbar sind. Es wird allgemein vermutet, dass Quantenprozessoren, wie zum Beispiel der den wir hier entwickelt haben, solche Probleme effizient lösen können, und damit einen enormen Schritt in die Zukunft in allen unseren Lebensbereichen darstellen würden. Es gibt bereits einen kommerziell erhältlichen supraleitenden Quantenprozessor mit sogenannten Fluss-Qubits. Allerdings konnte noch kein eindeutiger Vorteil dieses Quantenprozessors gegenüber den herkömmlichen Computer festgestellt werden. Das liegt an zwei Gründen: Fluss-Qubits zeigen nur schwache Quantenphänomene und die Fluss-Qubits in dem Prozessor beeinflussen sich nur in einem sehr kleinen Radius. Wir haben diese Probleme beheben können, indem wir eine neue Enkodierungstechnik benutzen und statt auf Fluss Qubits auf Transmon Qubits setzen. Dies wiederum war nur möglich durch einen neu entwickelten Schaltkreis für Transmon Qubits der komplett neue Arten der Wechselwirkung zwischen Transmon Qubits ermöglicht und es auch ermöglicht beliebig viele Transmon Qubits zu koppeln. Mit der Entwicklung dieses Kopplungs-Schaltkreises ermöglichen wir die Herstellung von Quanten Prozessoren, die Aufgrund der Benutzung von Transmon Qubits und deren Quanteneffekten, schon bald effizienter als herkömmliche Berechnungsmethoden sein könnten.