Eine entscheidende Herausforderung auf dem Weg hin zu einem leistungsfähigen Quantencomputer ist es, Millionen von Quantenbits, kurz Qubits, so zusammenzuschalten, dass sie zuverlässig miteinander interagieren. Bislang arbeiten Quantenrechner noch auf einer recht rudimentären 100-Qubit-Skala. Wissenschaftlern der University of Sussex im Vereinigten Königreich ist es nun gelungen, zwei Mikrochips über einen speziellen Quanten-Materie-Link miteinander zu verbinden und Qubits zwischen benachbarten Modulen zu übertragen. Das berichtet die Gruppe um die Quantenphysikerin Mariam Akhtar im Fachjournal »Nature Communications«. Sowohl die Geschwindigkeit als auch die Genauigkeit lägen über allem, was bisher mit der Ionenfallen-Technologie erreicht worden sei. Das zeige, dass Quantencomputer über die physikalischen Grenzen eines Mikrochips hinaus skaliert werden können.

Unter all den verschiedenen Möglichkeiten, wie sich Qubits für künftige Quantenrechner realisieren lassen, ist die Ionenfalle eines der vielversprechendsten Konzepte. Dabei werden Ionen, also elektrisch geladene Atome oder Moleküle, mittels elektrischer und magnetischer Felder festgehalten und mit Lasern manipuliert. Der Quantenzustand bleibt über einen vergleichsweise langen Zeitraum stabil, die Rechenpräzision ist höher als bei anderen Qubitsystemen und der Mikrochip muss etwas weniger stark gekühlt werden als etwa die supraleitenden Schaltkreise, die IBM und Google für ihre Quantenchips verwenden.

Die Forscher entwickelten in ihrem Experiment eine spezielle Technik, um die Ionen zu transportieren. Mit Hilfe elektrischer Felder steuerten sie die Ionenbewegung so, dass sich ein einzelnes Ionen-Qubit physisch zwischen den Modulen hin- und herverschieben ließ. »Mit dieser Methode konnten wir eine Erfolgsquote von 99,999993 Prozent und eine Verbindungsrate von 2424 Verbindungen pro Sekunde über eine Gesamtdistanz von 684 Mikrometern erreichen«, schreiben sie in der Arbeit. Der fragile Quantenzustand sei über den gesamten Transportzeitraum hinweg stabil geblieben. Das eröffne das Potenzial, Hunderte oder sogar Tausende von Quanten-Mikrochips wie Puzzleteile zusammenzustecken und miteinander zu verbinden.

Noch seien Quantenchips recht einfach und klein, sagte Winfried Hensinger, Professor für Quantentechnologien an der University of Sussex, laut einer Mitteilung der Universität. »Doch mit zunehmender Zahl der Qubits ist ein modularer Ansatz der Schlüssel, um Quantencomputer so leistungsfähig zu machen, dass sie eines Tages echte industrielle Probleme lösen können.« Hensinger ist Mitgründer eines Start-ups, das diese Technologie zur Marktreife bringen will. »Universal Quantum« hat erst vor Kurzem vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) einen Auftrag über 67 Millionen Euro für den Bau von zwei Quantencomputern erhalten, in denen die Ionenfallen-Qubits zum Einsatz kommen werden.