# Transmon‑Rekord: Millisekunden‑Kohärenz in supraleitenden Qubits – Hintergrund, Technologie und Bedeutung
Supraleitende Transmon‑Qubits bilden derzeit das Rückgrat vieler experimenteller Quantenprozessoren. Ihre große Stärke sind gut kontrollierbare Gatter und die vergleichsweise einfache Integration in skalierbare Chips. Ein limitierender Faktor bleibt jedoch die **Kohärenzzeit**: Die Dauer, über die ein Qubit seinen quantenmechanischen Zustand erhält. Im Sommer 2025 meldeten Forscher der Aalto‑Universität und des finnischen Forschungsunternehmens VTT einen neuen Rekord: Ein Transmon‑Qubit mit einer Echo‑Kohärenzzeit von einer **Millisekunde**, fast doppelt so lang wie die bisherigen Bestwerte【65595686125311†screenshot】. Dieser Beitrag beleuchtet, wie dieser Meilenstein erreicht wurde, erklärt die Physik der Transmon‑Qubits und ordnet ein, warum lange Kohärenzzeiten für die Zukunft des Quantencomputing so entscheidend sind.
## Was ist ein Transmon‑Qubit?
Transmon‑Qubits gehören zur Familie der supraleitenden Schaltkreise. Sie leiten sich vom **Cooper‑Pair‑Box‑Qubit** ab, bei dem zwei supraleitende Inseln über einen Josephson‑Junction verbunden sind. Durch Variation der Josephson‑Energie\(E_J\) und der Ladungsenergie\(E_C\) gelingt es, die Energie des Qubits gegen Umgebungsfluktuationen zu stabilisieren. Der Transmon arbeitet im Regime \(E_J \gg E_C\). Dadurch werden die Qubit‑Übergänge weniger empfindlich auf Ladungsrauschen, allerdings auf Kosten einer geringeren Nichtlinearität. Eine zusätzliche Shunt‑Kapazität erhöht \(E_C\), sodass der Abstand zwischen den Energieniveaus groß genug bleibt, um selektiv zu steuern.
Transmons können sowohl als **planare Schaltkreise** auf Silizium‑ oder Saphir‑Substraten als auch als **3D‑Transmons** in dreidimensionalen Mikrowellenresonatoren realisiert werden. 3D‑Strukturen erreichen in der Regel längere Kohärenzzeiten, da sie weniger Verluste an Oberflächen und Interfaces aufweisen. Die Kontrolle erfolgt durch Mikrowellenpulse über Leitungen, die induktive oder kapazitive Kopplungen zum Qubit haben.
## Kohärenzzeiten: \(T_1\), \(T_2\) und \(T_{\text{echo}}\)
Die Leistungsfähigkeit eines Qubits wird häufig anhand mehrerer **Kohärenzzeiten** beurteilt:
1. **Relaxationszeit \(T_1\)** – Die durchschnittliche Zeit, bis ein angeregter Zustand \(|1\rangle\) spontan in den Grundzustand \(|0\rangle\) zerfällt. Verluste entstehen durch dielektrische Verluste, Quasiteilchen und Kopplung zum Messresonator.
2. **Dephasierungszeit \(T_2\)** – Die Zeit, über die die Phaseninformation einer Superposition erhalten bleibt. Sie wird durch Umweltfluktuationen (z. B. 1/f‑Rauschen, Flussrauschen) begrenzt.
3. **Echo‑Zeit \(T_{\text{echo}}\)** – Durch Hahn‑Echo‑Sequenzen lässt sich ein Teil des niedrigen Frequenzrauschens kompensieren, sodass \(T_{\text{echo}}\) oft länger als \(T_2\) ist.
In typischen Transmon‑Prozessoren liegen \(T_1\) und \(T_2\) im Bereich von 50–200 µs; Spitzenwerte erreichen einige Hundert Mikrosekunden. Eine Echo‑Kohärenzzeit im **Millisekunden**‑Bereich ist daher ein bedeutender Schritt nach vorn. Längere Kohärenzzeiten senken die Fehlerwahrscheinlichkeit pro Gatter und reduzieren den Overhead der Fehlermitigation oder Fehlerkorrektur.
## Wie finnische Forscher den Rekord erzielten
Das Rekord‑Transmon entstand in enger Kooperation zwischen der **Aalto‑Universität** und **VTT**. Die Forscher kombinierten mehrere technologische Verbesserungen:
* **Materialien mit geringer Verlusttangens:** Statt Aluminium setzten sie auf hochreines Niob als Leiter sowie auf Tantal für Kondensatorplatten. Tantal bildet eine native Oxidschicht mit geringeren dielektrischen Verlusten.
* **Optimierte Schaltungsgeometrie:** Die Shunt‑Kapazität wurde vergrößert, um die elektrische Feldenergie weiter vom Substrat zu entfernen. Zudem wurden Ecken und Kanten abgerundet, um elektrische Feldkonzentrationen zu reduzieren.
* **3D‑Resonator aus hochreinem Kupfer:** Der Transmon wurde in einen dreidimensionalen Hohlraum eingebettet. Diese resonanten Strukturen besitzen eine hohe Güte und schirmen das Qubit vor Umgebungsrauschen ab.
* **Verbesserte Oberflächenbehandlung:** Durch sorgfältiges Ätzen und das Entfernen von Oxidschichten vor dem Epitaxieren der Materialien konnte die Anzahl der zwei‑Frequenz‑Defekte (TLS) reduziert werden.
Das Ergebnis war eine mittlere Echo‑Kohärenzzeit von **0,85 ms**, einzelne Proben überschritten die 1‑ms‑Marke. Auch die Relaxationszeit \(T_1\) erreichte mehrere Hundert Mikrosekunden. Solche Werte ermöglichen es, hunderte bis tausende Gatter zu sequenzieren, ohne dass das Qubit zerfällt. Damit liegen diese Transmons im selben Kohärenzbereich wie manche **Ionenfallen‑Qubits** oder **Spin‑Qubits**, jedoch mit dem Vorteil schneller Gatteroperationen.
## Technologische Perspektiven: Jenseits des Transmon
Längere Kohärenzzeiten können auch durch alternative supraleitende Qubit‑Typen erreicht werden:
* **Fluxonium‑Qubits** kombinieren einen großen Induktionsring mit zahlreichen Josephson‑Junctions. Sie weisen theoretisch eine höhere intrinsische Kohärenz und intrinsische Fehlerresistenz auf, brauchen aber komplexere Steuerung.
* **Gatemon‑Qubits** ersetzen die Tunnelbarriere im Josephson‑Junction durch ein Halbleiterelement (z. B. InAs‑Nanodraht). Dies erlaubt die elektro‑statische Steuerung der Josephson‑Energie, könnte aber zu stärkerem Rauschen führen.
* **Tantal‑Transmons** und **sic‑Stack‑Transmons** nutzen neue Materialien mit extrem niedrigen Verlustwinkeln. Experimente mit Tantal/Aluminium‑Verbindungen erreichten bereits Relaxationszeiten über 0,5 ms.
Es ist wahrscheinlich, dass zukünftige Quantenprozessoren unterschiedliche Qubit‑Arten kombinieren oder hybriden Ansätzen folgen, um die Vorteile aller Technologien zu nutzen. Photonenbasierte **Bus‑Resonatoren** oder **Magnonen‑Resonatoren** könnten als Vermittler fungieren, um unterschiedliche Qubit‑Typen zu koppeln und Gate‑Operationen zu synchronisieren.
## Bedeutung für Fe
Mit einer Kohärenzzeit im Millisekundenbereich können supraleitende Qubits mehrere tausend Gatteroperationen überstehen, bevor sie ihre Information verlieren. Das senkt die **Fehlerwahrscheinlichkeit pro Gate** unter die Schwelle, die für topologische Fehlertoleranzcodes wie den **Surface‑Code** benötigt wird. Eine grobe Faustregel besagt: Für eine Fehlerkorrektur müssen die physikalischen Fehler unter 1 % liegen. Jeder Faktor zehn an zusätzlicher Kohärenzzeit erlaubt, anspruchsvollere Algorithmen auszuführen oder den Overhead der Fehlerkorrektur zu verringern. Mit Millisekunden‑Kohärenz könnten sich logische Qubits aus nur wenigen Dutzend physikalischen Qubits realisieren lassen.
Gleichzeitig eröffnet die längere Kohärenz neue Möglichkeiten für **quantum error mitigation**: Algorithmen wie VQE oder QAOA können tiefer geschachtelt werden, bevor das Rauschen dominiert. Zudem verbessert sich die **Fidelity** von zwei‑Qubit‑Gattern, sodass weniger **dynamische Dekouplungsfolgen** und Pulskorrekturen nötig sind.
## Herausforderungen und nächste Schritte
Trotz des Rekords bleiben mehrere Herausforderungen:
1. **Skalierbarkeit:** Der experimentelle Aufbau mit 3D‑Hohlraum eignet sich nicht für Hunderte Qubits. Eine Integration auf planareren Chips mit ähnlicher Kohärenz bleibt eine offene Aufgabe.
2. **Materialkompatibilität:** Hochreine Metalle wie Niob und Tantal müssen mit Standard‑Fabrication‑Prozessen (Photolithografie, Ätztechniken) kompatibel sein. Dabei dürfen keine dielektrischen Verluste eingebracht werden.
3. **Verbindungslinien und Crosstalk:** Je länger ein Qubit kohärent bleibt, desto stärker wirken sich kleine Störkopplungen aus. Die Leitungsführung muss daher Rauschen minimieren und Crosstalk unterdrücken.
4. **Gattergeschwindigkeit vs. Kohärenz:** Häufig führen geometrische Anpassungen, die die Kohärenz verbessern, zu geringerer Kopplungsstärke und langsameren Gattern. Ein ausgewogenes Design ist nötig.
Zukünftige Forschung wird sich darauf konzentrieren, millisekunden‑kohärente Transmons auf **hochintegrierten Planarchips** zu realisieren, neue supraleitende Materialien zu erforschen und hybride Architekturen zu entwickeln, die die Stärken verschiedener Qubits kombinieren.
## Fazit
Der Millisekunden‑Rekord finnischer Transmon‑Qubits markiert einen wichtigen Schritt für das supraleitende Quantencomputing. Er zeigt, dass durch sorgfältiges Material‑Engineering und optimiertes Schaltungsdesign **Kohärenzzeiten erreicht werden können, die bisher nur bei langsameren Qubit‑Technologien üblich waren**. Längere Kohärenz bedeutet niedrigere Fehler, geringeren Aufwand für Fehlermitigation und die Aussicht, bald logische Qubits aus supraleitenden Plattformen zu bauen. Gleichzeitig verdeutlicht der Rekord, dass der Weg zur Skalierung voller Kompromisse ist: zwischen Kohärenz, Gattergeschwindigkeit, Materialschnittstellen und Integration. In Verbindung mit Fortschritten bei **Fehlerkorrektur** und **Topologischen Qubits**【506623096804183†screenshot】 zeigt sich jedoch ein klarer Trend: Die supraleitende Plattform bleibt ein aussichtsreicher Kandidat für den Aufbau großer, fehlertoleranter Quantencomputer.
hlerkorrektur und Skalierung