Frei programmierbarer Quantencomputer
Die meisten heutigen Quantencomputer sind für nur einen Algorithmus ausgelegt, was ihren Nutzen einschränkt. Forscher haben jetzt ein Modul mit fünf Qubits vorgestellt, das sich frei programmieren und obendrein skalieren lassen soll.
- TR Online
Die Jagd nach dem Bau eines leistungsfähigen Quantencomputers ist eine der großen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Die Hürden dabei sind enorm, doch eine nach der anderen werden sie von Physikern überwunden. So lassen sich Quantenpartikel inzwischen genau genug kontrollieren, um im kleinen Maßstab mit wenigen Qubits Quantenalgorithmen laufen zu lassen.
Die nächste Herausforderung ist die Skalierung, also die Techniken so einzusetzen, dass sie mit großen Mengen an Qubits zurechtkommen und umfangreiche Quanten-Berechnungen vornehmen können. Und auch hier geht es voran: Ende März haben Shantanu Debnath und Kollegen an der University of Maryland in College Park ein Quantencomputer-Modul mit fünf Qubits vorgestellt, das sich für jeden Quanten-Algorithmus programmieren lässt.
Quanten-Berechnungen mit vielen Qubits
Entscheidend dabei: Das Modul lässt sich laut den Forschern mit anderen verbinden, um leistungsfähige Quanten-Berechnungen mit vielen Qubits vorzunehmen. "Dieser kleine Quantencomputer lässt sich zu größeren Zahlen an Qubits in einem Einzelmodul skalieren und durch den Anschluss weiterer Module zusätzlich erweitern", schreiben Debnath und Team.
Seit fast 20 Jahren sind Physiker in der Lage, Quanten-Algorithmen auf Quantencomputern laufen zu lassen – die ersten Maschinen mit 2 oder 3 Qubits gab es in den späten 1990er Jahren. Seitdem stockte der Fortschritt jedoch, weil es extrem schwierig ist, hinreichend viele Quantenpartikel miteinander zu verbinden, ohne den Quantenzustand zu verlieren (nicht berücksichtigt ist hierbei die Arbeit des kanadischen Unternehmens D-Wave, das behauptet, einen Quantencomputer mit mehr als 1.000 Qubits gebaut zu haben, was die meisten Quantenphysiker sehr skeptisch sehen).
Das System der Maryland-Forscher basiert auf der umfangreichen Arbeit der vergangenen zwei Jahrzehnte an Quantencomputern auf der Grundlage von Ionenfallen. Es besteht aus fünf Ytterbium-Ionen, die in einem elektromagnetischen Feld aneinander gereiht und gefangen sind. Der elektronische Zustand jedes dieser Ionen lässt sich mit Laserimpulsen steuern; dadurch können sie jeweils ein Bit an Quanteninformation speichern.
Vibrationen mit Quantencharakter
Weil sie geladen sind, üben die Ionen eine Kraft aufeinander aus, so dass sie bei Frequenzen vibrieren, die sich präzise kontrollieren und manipulieren lassen. Die Vibrationen haben Quantencharakter und ermöglichen eine Verschränkung der Ionen. Auf diese Weise können die in ihnen enthaltenen Quanteninformationen interagieren. Weil sich diese Interaktion steuern lässt, ist es möglich, darüber logische Operationen vorzunehmen. Und Quanten-Algorithmen sind nichts anderes als mehrere solcher Operationen nacheinander.
Die Fähigkeit, eine beliebige Abfolge von Operationen auszuführen, ist wichtig – nur wenige Quantencomputer sind dazu bislang in der Lage. Tatsächlich sind die meisten stattdessen für nur einen einzigen speziellen Algorithmus ausgelegt.
Genau das wollen Debnath und Kollegen ändern. Die Forscher haben ein in sich geschlossenes Modul entwickelt, das jedes der Ionen mit einem Laser adressieren und das Ergebnis der Interaktion zwischen den Ionen auslesen kann.
Und das scheint gut zu funktionieren. Das Team hat sein Modul mit mehreren unterschiedlichen Quanten-Algorithmen getestet: "Beispielsweise implementieren wir Deutsch-Jozsa, Bernstein-Vazirani und Quanten-Fouriertransformationen", schreiben die Forscher. "Die hier präsentierten Algorithmen zeigen die Flexibilität bei Berechnungen, die sich mit der Ionenfallen-Quantenarchitektur erreichen lässt."
Die Arbeit ist ohne Frage beeindruckend, doch das Team behauptet, noch viel weiter gehen zu können. Insbesondere soll das Modul skalierbar sein – mehrere 5-Qubit-Module zusammen sollen einen weitaus leistungsfähigeren Quantencharakter bilden können.
Doch das ist leichter gesagt als getan und wurde von dem Team noch nicht demonstriert. Damit ist klar, was der nächste Schritt sein dürfte: Debnath und Kollegen müssen zeigen, wie sich die Module verbinden lassen und wie dies den Nutzen der damit möglichen Berechnungen erhöht. Dies wäre ein bedeutender Fortschritt, den man getrost von den Dächern rufen könnte – wenn es denn wirklich klappt.
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