Die Quantenmechanik beschreibt die unsichtbare Welt der Atome und Moleküle mithilfe von Quantenüberlagerungszuständen, die es einem physikalischen System ermöglichen, sich gleichzeitig in zwei völlig unterschiedlichen Zuständen zu befinden. Quantencomputer machen sich diese mysteriöse Eigenschaft zunutze, um Berechnungen durchzuführen, die mit herkömmlichen Computern praktisch unmöglich sind, eine Fähigkeit, die in den letzten Jahren viel Aufmerksamkeit erregt hat.
Quantencomputer verwenden Qubits in den Quantenüberlagerungszuständen 0 und 1, um Berechnungen durchzuführen. Jede Quantenberechnung wird mit zwei Grundoperationen ausgeführt: Ein-Qubit-Gattern und Zwei-Qubit-Gattern*6. Um leistungsstarke Quantencomputer zu realisieren, benötigen wir schnelle und genaue Gate-Operationen.
Die Entwicklung von Quantencomputern wird weltweit vorangetrieben, und dabei wurden vielfältige Ansätze übernommen. Die Vorschläge reichen von der Manipulation einzelner Atome oder Ionen bis hin zum Einsatz von Halbleitern und supraleitenden Schaltkreisen. Der Ansatz mit supraleitenden Schaltkreisen wird heute als vorteilhaft hinsichtlich der Realisierung von Quantenüberlagerungszuständen in großen Schaltkreisen und hinsichtlich der relativ einfachen Erzielung der starken Kopplung von Qubits angesehen, die für die Hochgeschwindigkeitsausführung von Zwei-Qubit-Gattern unerlässlich ist.
Die Kopplung von Qubits erfolgt mit einem Koppler (Abb. 1). Bis vor kurzem waren die Hauptgeräte feste Kupplungen mit konstanter Kupplungsstärke*7, aber die Aufmerksamkeit richtet sich jetzt auf abstimmbare Koppler, die angeblich die einstellbare Kopplungsstärke bieten, die zur Verbesserung der Leistung erforderlich ist.
Abstimmbare Koppler erfüllen widersprüchliche Anforderungen: ein schnelles Zwei-Qubit-Gate mit starker Kopplung sowie die Möglichkeit, Fehler durch Restkopplung durch Ausschalten der Kopplung zu reduzieren. Außerdem ist es vorzuziehen, dass das in den Berechnungen verwendete Qubit ein Transmon-Qubit mit fester Frequenz ist, das äußerst stabil ist, eine einfache Struktur aufweist und leicht herzustellen ist. Darüber hinaus sollte die Frequenz der beiden gekoppelten Qubits deutlich unterschiedlich sein, da dies Übersprechfehler reduziert und robust gegenüber Abweichungen von den Designwerten der Qubit-Frequenzen ist, wodurch die Ausbeute bei der Geräteherstellung verbessert wird. Das Problem hierbei ist jedoch, dass es bisher keinem abstimmbaren Koppler gelungen ist, eine vollständige Auskopplung und schnelle Zwei-Qubit-Gate-Operationen für zwei Festfrequenz-Transmon-Qubits mit deutlich unterschiedlichen Frequenzen zu kombinieren.
