Die Forschung im Bereich der Quantentechnologien macht bemerkenswerte Fortschritte, insbesondere durch die Entwicklungen im Bereich der supraleitenden Schaltkreise. Dabei sind diese Technologien von zentraler Bedeutung für die Medizin sowie die Materialforschung. Supraleitende Schaltkreise, deren Leistung stark von den Umgebungsbedingungen abhängt, reagieren empfindlich auf Licht- und Infrarotstrahlung, insbesondere bei extrem niedrigen Temperaturen. Dies macht eine zuverlässige Abschirmung unerlässlich. So haben Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) ein innovatives Material entwickelt, das diese Anforderungen erfüllt, indem es unerwünschte Strahlung dämpft und gleichzeitig Mikrowellensignale durchlässt, wie KIT berichtet.
Dieses neuartige Material besteht aus unterschiedlich großen Saphirkugeln, die in eine Matrix aus Epoxidharz eingebettet sind. Die innovativen Eigenschaften des Materials sind das Ergebnis genauer Berechnungen, die sicherstellen, dass Strahlung mit Wellenlängen, die der Größe der Kugeln entsprechen, entweder absorbiert oder gestreut wird. Gleichzeitig lässt das Material Mikrowellensignale mit einem Verlust von weniger als 0,4 Dezibel bei Frequenzen unter zehn Gigahertz nahezu ungehindert passieren. Erste Messungen belegen diese Wirksamkeit und unterstreichen das Potenzial des Materials für die zukünftige Forschung.
Forschungsfokus auf Quantenelektrodynamik
Ein weiterer innovativer Ansatz in der Quantenforschung kommt aus der Arbeitsgruppe von Dr. Gerhard Kirchmair. Diese fokussiert sich auf „Circuit Quantum Electrodynamics Systems“, die supraleitende Schaltkreise und Qubits kombinieren. Bei diesen Qubits handelt es sich um durch Josephson-Übergänge realisierte künstliche Zwei-Niveau-Systeme. Die Herstellung erfolgt durch fortschrittliche Nano-Strukturierungsverfahren, die eine präzise Anpassung der Eigenschaften der Qubits ermöglicht. Diese Systeme spielen eine entscheidende Rolle in Experimenten zur Quanteninformation, Quantensimulation und Quantenoptik, wie Kirchmair erläutert.
Die Forschungsanstrengungen konzentrieren sich auf mehrere Schwerpunkte: Zunächst wird eine Plattform für analoge Quantensimulationen geschaffen, um komplexe wechselwirkende Spinketten zu untersuchen. Des Weiteren wird das Ziel verfolgt, einen mechanischen Oszillator an einen Mikrowellenschwingkreis zu koppeln, um die starke Kopplung zwischen Photonen und Phononen zu untersuchen. Auch Arrays aus hunderten von Josephson-Kontakten, die Bistabilität im Bereich einzelner Photonen zeigen, werden eingehend analysiert.
Europäische Zusammenarbeit für Quantencomputer
Ein umfassendes Projekt mit dem Titel OpenSuperQplus100 zielt ebenfalls auf die Weiterentwicklung von supraleitenden Quantencomputern ab. Dieses Projekt, das Teil der europäischen Forschungsagenda für Quantentechnologie ist, hat ambitionierte Ziele: Es sollen Systeme entwickelt werden, die mindestens 100 hochqualitative Qubits in integrierten Demonstratoren bereitstellen, wie EMFT berichtet.
Das Projekt umfasst die Entwicklung einer Plattform für die Herstellung von Quantenchips, die Integration in Multi-Chip-Module und die Erarbeitung von Komponenten, Hard- und Software. Eine wichtige Rolle spielt hier das Fraunhofer EMFT, das neue Herstellungsprozesse für Qubit-Chips ausarbeitet, mit dem Ziel, diese im industriellen Maßstab herzustellen. Der langfristige Plan sieht vor, im nächsten Projekt sogar die 1.000 Qubit-Marke zu überschreiten.
Diese umfangreiche Forschungs- und Entwicklungsarbeit unterstützt nicht nur die wissenschaftliche Gemeinschaft, sondern sucht auch aktiv den Dialog mit der Industrie sowie der Gesellschaft, um Nutzungsmöglichkeiten in Bereichen wie Quantensimulation, maschinelles Lernen und der Lösung komplexer Optimierungsprobleme zu erschließen.