Quanten-Synchronisation macht Computer zuverlässiger

Quantencomputer gelten als die Zukunft der Datenverarbeitung – sie könnten Probleme lösen, an denen selbst die stärksten Supercomputer scheitern. Doch sie haben eine fatale Schwäche: Sie sind extrem störanfällig. Schon kleinste Erschütterungen, Temperaturschwankungen oder Fertigungsungenauigkeiten bringen die empfindlichen Quantenzustände durcheinander. Das macht es bislang nahezu unmöglich, Quantencomputer im Alltag einzusetzen.

Ein Team theoretischer Physiker am japanischen RIKEN-Zentrum für Quantencomputing hat nun einen Weg gefunden, dieses Problem zu umgehen. Die Forscher um Franco Nori und Adam Miranowicz schlagen eine Methode vor, bei der sich zwei Quantensysteme nur in eine Richtung synchronisieren – ähnlich wie eine Einbahnstraße für Schallteilchen, sogenannte Phononen. Wird Licht oder ein Magnetfeld von einer Seite angelegt, geraten die Systeme in Takt; von der anderen Seite nicht. Dieser Effekt heißt nicht-reziproke Quantensynchronisation.

Das Besondere: Die Synchronisation bleibt selbst dann stabil, wenn die Bauteile nicht perfekt gefertigt sind oder Umgebungsrauschen auftritt. „Wir waren begeistert zu entdecken, dass die Quantensynchronisation selbst bei erheblichen Unzulänglichkeiten und Störungen bestehen bleibt“, sagt Deng-Gao Lai, einer der Autoren der Studie. Bisher galt das ohne aufwendige Schutzmechanismen als unmöglich.

Die Forscher kombinierten zwei separate Quanteneffekte in einem einzigen Rahmenwerk. Dadurch entsteht eine robuste Einbahnstraßen-Synchronisation, die den Weg für praktische Quantentechnologien ebnen könnte. „Unsere Forschung legt ein neues Fundament für die Erzeugung robuster nicht-reziproker Quantenressourcen mit zukünftiger praktischer Anwendbarkeit“, erklärt Nori.

Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Nature Communications veröffentlicht. Das Team plant nun, die Methode in Quantennetzwerken und fehlerresistenten Quanteninformationsprozessen zu testen. Sollte sich der Ansatz in der Praxis bewähren, könnten Quantencomputer endlich den Sprung aus dem Labor in die reale Anwendung schaffen – mit potenziell revolutionären Auswirkungen auf Medizin, Materialforschung und Kryptographie.