Quanten, Information und Computer

Zwei Forschergruppen haben unabhängig voneinander entfernte Quantenbits miteinander in Verbindung gebracht. Ein weiterer Schritt in Richtung Quantencomputer

Computer werden immer kleiner und immer leistungsfähiger. Aber der nächste echte Quantensprung in der elektronischen Datenverarbeitung wäre der Rechner, der sich die spukhaften und verrückten Eigenschaften der Quantenphysik zu eigen macht (vgl. Quantencomputer - Was verbirgt sich dahinter?). Noch ist er Utopie, aber allein seine theoretischen Potenziale begeistern Wissenschaftler genauso wie die Industrie oder die möglichen künftigen Nutzer.

In klassischen Computern werden Informationseinheiten in Form von Bits, also 0 oder 1, gespeichert und verarbeitet. Die Verknüpfung dieser Bits ermöglicht die Rechenvorgänge. Quantencomputer dagegen sind der absolute Traum der Computerzukunft, denn mit ihnen lässt es sich sehr viel effizienter rechnen, da die so genannten Quantenbits (Qubits) in Überlagerungen) von O und 1 vorliegen können. Diese simultane Möglichkeit des sowohl 0 als auch 1 bedeutet eine potenziell viel schnellere und effektivere Rechnerleistung, vor allem für Aufgaben wie Datenbanken oder Datenverschlüsselung.

Theoretisch ist das längst vorhergesagt, die konkrete Frage lautet nach wie vor nur, wie sich das praktisch umsetzen lässt – und ob es in der Alltagspraxis tatsächlich je funktionieren wird. Neben allen anderen Problemen sind Qubits auch noch extrem empfindliche Gebilde, die leiseste Störung von Außen zerstört sie sofort (vgl. Dekohärenz).

Neue Bauteile für einen Quantencomputer der Zukunft

In der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Nature berichten zwei Wissenschaftlergruppen von ihren neuen Bauteilen für einen Quantencomputer der Zukunft. Mika A. Sillanpää und Kollegen vom National Institute of Standards and Technology in Boulder stellen eine Art supraleitendes Quantencomputerkabel vor, über das Qubits in Kommunikation versetzt werden können.

Illustration des neuen, supraleitenden Quantencomputerkabels, Bild: National Institute of Standards and Technology/Michael Kemper

Die Wissenschaftler speicherten die Information eines Qubits als Mikrowellenenergie erst für 10 Nanosekunden und transportierten sie dann zu einem zweiten Qubit. Sie bedienten sich dafür zweier supraleitender Stromkreise in Mikrometergröße. Auf einem Saphir-Chip wurden elektrische Resonatoren montiert. Mittels einer externen Mikrowellenquelle wurde ein Qubit in die Superposition, den Überlagerungszustand, versetzt.

Dieser Zustand wurde dann durch elektronische Vibration transportiert, im benachbarten Quanten-Bus – der zentralen Kommunikationsverbindung oder Schnittstelle – kurz festgehalten, und anschließend übertrug sich der Zustand auf ein anderes Qubit am Ende der Leitung. Der Aufbau dieses winzigen Chips erinnert an eine Miniaturversion der Leitung des Kabelfernsehens, wobei einige Verbesserungen vorgenommen wurden, darunter ein supraleitender Stromkreis ohne jeden Widerstand und die Datenverarbeitungseinheiten, die den seltsamen Regeln der Quantenphysik gehorchen. Das supraleitende Qubit hat etwa den Durchmesser eines menschlichen Haares.

Der Quanten-Bus hat zudem den Vorteil, dass die Superposition sozusagen aufgefrischt wird und das Qubit weniger schnell seinen fragilen Quantenzustand aufgibt. Das unvermeidliche elektrische oder magnetische Rauschen führt normalerweise schon nach einer halben Mikrosekunde zu Kollaps. Teammitglied Raymond Simmonds erklärt:

Wir haben ein neues Element für Quanteninformations-Verarbeitungssysteme getestet. Es ist wirklich wesentlich, denn es bedeutet, dass wie mehr Qubits zusammen miteinander verkoppeln und zwischen ihnen mit nur einem einfachen Element leichter Information transportieren können.

Die Forscher aus Boulder setzten einen Quanten-Bus zum Speichern und Transfer der Information zwischen verschiedenen Qubits ein, die zweite Wissenschaftlergruppe setzte ebenfalls einen Quanten-Bus und virtuelle Photonen ein, um eine Interaktion zwischen zwei Qubits zu ermöglichen. Johannes Majer und Kollegen von der Yale University in New Haven entwickelten die seit Jahren erfolgreiche Arbeit der Gruppe von Robert Schoelkopf im Bereich des Designs von Quantencomputern weiter.

Quanten-Bus – Photonen verbinden die supraleitenden Qubits, Bild: Johannes Majer/Yale University

Ebenfalls in Nature veröffentlichen sie ihre neuen Forschungsergebnisse. Wie sie berichten, ist es ihnen geglückt, zum ersten Mal, supraleitende Qubits – oder künstliche Atome – dazu zu bringen, nicht nur mit ihren direkten Nachbarn, sondern mit relativ weit entfernten anderen Qubits auf einem Chip zu kommunizieren. Eine wichtige Voraussetzung für einen potenziellen Quantencomputer – gleichzeitig mit den Physikern aus Boulder ist ihnen dieser wichtige Schritt geglückt.

Mikrowellen-Photonen

Ähnlich wie sie setzen sie auch auf einen Quanten-Bus, der von seiner Funktion her dem konventionellen Computer-Bus ähnelt. Dieser Knotenpunkt ermöglicht die Speicherung und den Transfer von Informationen.

Die Wissenschaftler aus Yale setzen ebenfalls auf supraleitende Qubits auf einem Chip und auf Mikrowellen-Photonen, die in einem elektrischen Schaltkreis geschaffen und kontrolliert werden. Co-Autor Andrew Houck erläutert den Ansatz:

Es ist nicht schwierig, Signale mit im Durchschnitt einem Photon zu erzeugen, aber es ist ziemlich schwierig jedes Mal exakt ein Photon zu erzeugen. Um Quanteninformation in Photonen zu codieren, muss da immer exakt ein Photon sein.

Deshalb war es wichtig, die elektrischen Signale genau zu kontrollieren. Mikrowellen-Energie wird heute alltäglich eingesetzt – nicht nur zum Aufwärmen oder Kochen von Speisen, sondern auch in Handys. Letztere stahlen etwa 10 hoch 23 (100.000.000.000.000.000.000.000) Photonen pro Sekunde ab. Einzelne Photonen zu kontrollieren, erfordert einen großen Aufwand. Die Forscher setzten hochempfindliche Detektoren ein und führten ihre Versuche bei Bedingungen wie im Super-Tiefkühler durch: Die Temperatur lag nur wenig über dem absoluten Nullpunkt (10 Milli Kelvin, also bei minus 273°C).

"Flying Qubits"

Johannes Mejer und seinen Kollegen gelang es so, die Photonen nicht nur einzeln zu kontrollieren, sondern sie über Drähte direkt von Qubit zu Qubit zu leiten und so den Quantenzustand zu übertragen. Er erläutert:

Ganz neu und besonders an dem Experiment ist, dass das verwendete Photon nur virtuell ist – es existiert nur für einen kürzesten Augenblick, bevor es verschwindet.

In Lichtgeschwindigkeit transportieren die Photonen die Information über weite Distanzen von Qubit zu Qubit – weswegen die Wissenschaftler sie "fliegende Qubits" getauft haben.

Das Team ist überzeugt, dass der einfache Aufbau ihres Quanten-Bus auch die Ankopplung von 10 und mehr Qubits erlaubt. Für einen richtigen Quantencomputer wären hunderte oder sogar tausende erforderlich – ob das gelingen wird, ohne das die Dekohärenz alles zerstört, kann noch niemand mit Sicherheit sagen. Aber immerhin zeigen die neuen Studien, was in ganz kleinem Rahmen im Labor schon realisierbar ist. Das Fazit der Physiker-Gruppe:

Supraleitende Qubits wurden zuvor schon miteinander gekoppelt. In unserer Studie demonstrieren wir eine neue Art von Verkoppelung. Frühere Experimente waren nur fähig, Qubits miteinander zu verbinden, die einander physisch nahe waren. Unsere Verkoppelung erlaubt es, dass nicht nur die nächsten Nachbarn miteinander interagieren, sondern auch weiter entfernte über den Resonator. Der Resonator dient als Quanten-Bus für die Qubits und ermöglicht eine Interaktion zwischen frei wählbaren Qubits.

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Quanten? Logisch!

Steuerbare Nicht-Gatter für supraleitende Quantenbits

Beschränkt verschränkt

Das Funktionsprinzip eines Quantencomputers basiert auf einer wesentlichen Eigenschaft von Quantenzuständen: der Verschränkung. Neue Experimente zeigen, dass auf diese leider noch weniger Verlass ist als gedacht.

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