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Modularer Quantencomputer : Verteilte Quantenbits lernen das Rechnen

Künstlerische Darstellung: Rechnen mit verteilten Quantenbits Bild: Quantum Internet Alliance, QAI

Auf dem Weg zum modularen Quantencomputer: Räumlich verteilte Quantenbits lassen sich jetzt zu logischen Gattern zusammenschalten. Eine elegante Lösung, das Skalierungsproblem zu umgehen.

          3 Min.

          Trotz großer Fortschritte ist man von der Entwicklung eines universell einsetzbaren und fehlertoleranten Quantencomputers noch weit entfernt. Eine große Hürde ist die mangelnde Skalierbarkeit. Die existierenden Quantenprozessoren, die etwa auf gespeicherten Atomen oder supraleitenden Mikrowellenresonatoren beruhen, lassen sich nicht ohne weiteres ausbauen, indem man einfach die Zahl der elementaren Recheneinheiten vergrößert. Denn je größer die Zahl dieser Quantenbits, desto schwieriger wird es, jedes einzelne von störenden Einflüssen zu isolieren und zu kontrollieren. Und für jedes zusätzliche Qubit werden die Probleme gravierender.

          Manfred Lindinger
          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Schon geringste Störungen, ausgelöst durch Rauschen, Wärmestrahlung oder elektromagnetische Felder, können die Zustände der  Quantenbits vernichten, was zu Rechenfehlern führt. Um sie vor der Umgebung zu schützen, werden Quantenbits üblicherweise im Vakuum eingeschlossen (Atome und Ionen) oder extrem stark mit flüssigem Helium (supraleitende Quantenbits) abgekühlt , was mit viel technischen Aufwand verbunden ist. Das ist der Grund, warum die besten Prototypen derzeit nicht mehr als 50 Recheneinheiten haben (“Sycamore“ von Google rechnet mit 52 supraleitende Qubits). Für ein halbwegs leistungsfähiges System aber, das die vielfältigsten Aufgaben schneller bewältigen kann als ein klassischer Computer, wären mindestens mehrere hundert Qubits  erforderlich.

          Zwei Qubits(dargestellt als rotes Atom zwischen zwei blauen Spiegeln), die über eine Distanz von 60 Metern zu einer quanten-logischen Rechenoperation zusammengeschaltet wurden.
          Zwei Qubits(dargestellt als rotes Atom zwischen zwei blauen Spiegeln), die über eine Distanz von 60 Metern zu einer quanten-logischen Rechenoperation zusammengeschaltet wurden. : Bild: Stephan Welte, Severin Daiss

          Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching haben eine mögliche Lösung für das Skalierungsdilemma parat. Statt immer mehr Quantenbits auf engen Raum zu packen, verschalten sie separierte Qubits miteinander, die sich perfekt kontrollieren und abschotten lassen. Auf diese Weise ist es den Forschern um Severin Daiss und Stefan Langenfeld gelungen, bereits mit zwei Quantenbits einen elementaren Quantenprozessor zu verwirklichen, der einfache logische Operationen ausführen kann . Eine Besonderheit: Die Qubits befinden sich in zwei getrennten Labors und sind über eine 60 Meter lange Glasfaser verbunden.

          Elementares Quantengatter verwirklicht

          Als Quantenbits dienten zwei baugleiche winzige Hohlraumresonatoren, in denen jeweils ein einzelnes Rubidiumatom eingesperrt war. Die Atome können zwei interne Zustände gleichzeitig einnehmen, wie es für quantenphysikalische Recheneinheiten typisch ist. In der Glasfaser läuft ein einzelnes Lichtteilchen zwischen den Resonatoren hin und her: Das Photon kommt so mit jedem Atom in Kontakt. Dabei nimmt es abwechselnd deren Quantenzustände an, um diese in Richtung Nachbarlabor zum jeweils anderen Atom zu transportieren. Die beiden zuvor unabhängigen Rubidiumatome sind über das Photon fest aneinandergekoppelt. Der Zustand des einen Atoms beeinflusst den Zustand des anderen.

          Severin Daiss vor einem Baustein des verteilten Quantencomputers.
          Severin Daiss vor einem Baustein des verteilten Quantencomputers. : Bild: MPI für Quantenotpik

          Dank dieser innigen Verbindung konnten die Forscher ein elementares Quantengatter verwirklichen, das eine einfache Operation ausführte, und zwar eine logisch kontrollierte Nichtverknüpfung (kurz CNOT). Diese Schaltung gilt als Schlüsselbaustein für jeden Quantenrechner, da sich damit alle anderen bekannten Quantengatter verwirklichen lassen. Ein erster Schritt auf dem Weg zum verteilten Quantencomputing ist somit getan. Nun wollen die Forscher ihr Netzwerk ausbauen und eine größere Zahl von Quantenbits miteinander verschalten.

          Dass man sechs elementare Recheneinheiten miteinander koppeln und verschränken kann, haben jetzt amerikanische Forscher von der University of Chicago mit supraleitenden Quantenbits demonstriert. Je drei Qubits – Mikrowellenresonatoren in Form von Leiterschleifen – waren über ein ein Meter langes Koaxialkabel verbunden. Das System der Forscher um Andrew Cleland bietet bereits mehr Möglichkeiten.

          So können zwei logische CNOT-Gatter gleichzeitig verwirklicht und dadurch komplexere Operationen ausgeführt werden, als es bei dem Garchinger System möglich ist. Allerdings ist die Distanz, über die sich supraleitende Qubits verschalten lassen, auf wenige Meter beschränkt. Bei größeren Distanzen werden Übertragungsverluste und damit die Fehlerrate zu groß. Außerdem bedarf es eines hohen Kühlaufwands mit flüssigem Helium. Der Aufbau eines größeren Quantennetzwerks ist mit supraleitenden Qubits nur schwer zu realisieren. Hier haben atomare, über Photonen verbundene Qubits klare Vorteile.

          Die Ansätze für verteiltes Rechnen könnten den Entwicklern von großen Quantensystemen weiterhelfen, die beim Ausbau ihrer Systeme schon jetzt an Grenzen stoßen. Insbesondere jene aus Garching werden alle Forschergruppen im Blick haben, die hierzulande an einem leistungsfähigen Quantenrechner „Made in Germany“ schmieden. Auf die erfolgversprechendsten Konzepte warten in Kürze Bundesmittel in Höhe von zwei Milliarden Euro.

          Das CNOT-Gatter

          Logikgatter sind elementare Bausteine der Datenverarbeitung mit Computern. Sie verknüpfen binäre „Einsen“ und „Nullen“ und führen mit ihnen logische Operationen aus, die Additionen, Subtraktionen oder Multiplikationen ermöglichen. Üblicherweise baut man Gatter aus Halbleiter-Transistoren, die elektrische Signale auf bestimmte Weise schalten. Sie können aber auch mit Qubits verwirklicht werden. Beim CNOT-Quantengatter wird der Zustand eines Qubits invertiert: Befindet sich Qubit im Zustand „1“, so nimmt es nach der Wechselwirkung mit dem Photon den Zustand „0“ an. Ob die Operation auch tatsächlich erfolgt, hängt vom Photon ab, und ob dessen Schwingungszustand im logischen Zustand "1" ist. Ist er „0“, passiert nichts. Die Forscher sprechen deshalb von einer logischen kontrollierten Nicht-Verknüpfung (kurz CNOT).

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