De huidige kwantumtechnologieën zullen een revolutie teweegbrengen in de informatieverwerking, communicatie, en sensortechnologie in de komende decennia. De basisbouwstenen van toekomstige kwantumprocessors zijn, bijvoorbeeld, atomen, supergeleidende kwantum elektronische schakelingen, spinkristallen in diamanten, en fotonen. De afgelopen jaren is duidelijk geworden dat geen van deze kwantumbouwstenen in staat is om aan alle eisen te voldoen zoals het ontvangen en opslaan van kwantumsignalen, verwerken en doorgeven.

Een onderzoeksgroep onder leiding van professoren József Fortágh, Reinhold Kleiner en Dieter Kölle van het University of Tübingen Institute of Physics zijn erin geslaagd om magnetisch opgeslagen atomen op een chip te koppelen met een supergeleidende microgolfresonator. Het koppelen van deze twee bouwstenen is een belangrijke stap op weg naar de bouw van een hybride kwantumsysteem van atomen en supergeleiders waarmee de verdere ontwikkeling van kwantumprocessors en kwantumnetwerken mogelijk wordt. Het onderzoek is gepubliceerd in de laatste Natuurcommunicatie .

Kwantumtoestanden maken bijzonder efficiënte algoritmen mogelijk die de conventionele opties tot nu toe ver overtreffen. Quantum communicatieprotocollen maken het mogelijk, in principe, onkraakbare gegevensuitwisseling. Kwantumsensoren leveren de meest nauwkeurige fysieke meetgegevens op. "Om deze nieuwe technologieën in het dagelijks leven toe te passen, we moeten fundamenteel nieuwe hardwarecomponenten ontwikkelen, " zegt Fortágh. In plaats van de conventionele signalen die in de huidige technologie worden gebruikt - bits - die alleen een één of een nul kunnen zijn, de nieuwe hardware zal veel complexere kwantumverstrengelde toestanden moeten verwerken.

"We kunnen alleen volledige functionaliteit bereiken door de combinatie van verschillende kwantumbouwstenen, " legt Fortágh uit. Op deze manier snelle berekeningen kunnen worden gemaakt met behulp van supergeleidende schakelingen; opslag is echter alleen mogelijk op zeer korte tijdschalen. Neutrale atomen die over het oppervlak van een chip zweven, vanwege hun lage sterkte voor interacties met hun omgeving, zijn ideaal voor kwantumopslag, en als emitters van fotonen voor signaaloverdracht. Om deze reden, de onderzoekers hebben in hun laatste onderzoek twee componenten met elkaar verbonden om een ​​hybride te maken. Het hybride kwantumsysteem combineert de kleinste kwantumelektronische bouwstenen van de natuur – atomen – met kunstmatige circuits – de supergeleidende microgolfresonatoren. "We gebruiken de functionaliteit en voordelen van beide componenten, " zegt de hoofdauteur van de studie, Dr. Helge Hattermann, "De combinatie van de twee ongelijke kwantumsystemen zou ons in staat kunnen stellen een echte kwantumprocessor te creëren met supergeleidende kwantumroosters, atomaire kwantumopslag, en fotonische qubits." Qubits zijn - analoog aan bits in conventionele computers - de kleinste eenheid van kwantumsignalen.

Het nieuwe hybride systeem voor toekomstige quantumprocessors en hun netwerken vormt een parallel met de huidige technologie, die ook een hybride is, als een blik op uw computerhardware laat zien:Berekeningen worden gemaakt door micro-elektronische circuits; informatie wordt opgeslagen op magnetische media, en gegevens worden via glasvezelkabels via internet vervoerd. "Toekomstige kwantumcomputers en hun netwerken zullen op deze analogie werken - wat een hybride benadering en interdisciplinair onderzoek en ontwikkeling vereist voor volledige functionaliteit, ' zegt Fortag.