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Der erste Quantencomputer aus acht Qubits

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Bislang waren nur Quantenrechner aus einigen wenigen Qubits möglich. Zwei Forschungsgruppen aus den USA und Österreich schraubten kürzlich den Rekord auf ein Quantenregister mit sechs respektive acht Qubits hoch.

Ein Quantencomputer ist eine völlig neue Art von Rechner, die mit der Turing-Maschine, auf der alle heutigen Computer aufbauen, nichts mehr zu tun hat. Ein herkömmliches Bit hat entweder den Zustand 0 oder 1, bei einem Quantenbit (kurz: Qubit) können sich die Zustände dagegen überlagern. Ein Quantenregister aus Qubits stellt auf diese Weise alle ihm möglichen Zustände gleichzeitig dar, sodass eine einzige Rechenoperation auf alle diese Zustände wirken kann. In einem PC dagegen hat ein Register immer nur einen einzigen Wert. Diese theoretische Leistungsfähigkeit eines Quantenrechners übertrifft die der klassischen Rechner daher bei weitem.

Die technischen Voraussetzungen sind aber immens und bislang stehen die Quantenrechner ausschließlich auf riesigen Labortischen. Qubits sind extrem fragile Gebilde, die selbst kleinste Störungen nicht überleben. Selbst Stöße mit Luftmolekülen, wie sie überall stattfinden, auch zwischen Atomen oder Elektronen, sind tabu. Trotz dieser Schwierigkeiten sind die Fortschritte der letzten Jahre enorm. Quantenbits wurden unter anderem mit gespeicherten Ionen und Photonen sowie aus Kernspins von Molekülen realisiert. Die Forschungsarbeiten sind so weit gediehen, dass bereits an Quantencomputer gedacht wird, die mehr sind als Proof-of-concept-Experimente.

Die Vorgaben für zukünftige Experimente hat der Wissenschaftler DiVincenzo vor einigen Jahren aufgestellt: Nach seinen Kriterien machen nur Experimente Sinn, die auf eine große Zahl von Qubits prinzipiell erweiterbar sind. Außerdem muss ein universell einsetzbarer Satz von Gattern existieren (gewissermaßen die Quanten-Turing-Maschine) und die Lebensdauer der Qubits muss lang genug sein.

In einem aktuellen Experiment demonstrierten Forscher um Prof. Rainer Blatt und Dr. Hartmut Häffner von der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, wie die Vorgaben von Ionen in einer elektromagnetischen Ionenfalle erfüllt werden (Nature, Vol. 438, 1. Dezember 2005, S. 643). Sie sind die ersten, die ein Quantenregister aus acht Qubits herstellten. Schon mit drei Qubits können die Quanteninformatiker komplexe quantenmechanische Zustände programmieren, ein zuverlässiges System aus acht Qubits wird die Quanteninformatik vermutlich weit nach vorne bringen. Das Ziel ist zunächst nicht ein Quantencomputer, der heutigen PCs überlegen ist. Vielmehr steht mit den schon jetzt realisierbaren Quantenregistern ein Werkzeug bereit, um neuartige Wechselwirkungen und damit neue Rechnerkonzepte an Qubits zu untersuchen.

Konkret sind acht Kalzium-Ionen wie Perlen auf der Schnur in einer winzigen zylindrischen Ionenfalle im Ultrahochvakuum aufgereiht und mit elektromagnetischen Feldern gefangen. Zwei langlebige Zustände im Kalziumion bilden die 0 und die 1 fürs Qubit. Zunächst bringt Laserkühlung die Ionen zur Ruhe. Jedes Ion wird durch einen fokussierten Laserstrahl gekühlt und weiter manipuliert.

Der Laserstrahl erzeugt auch die Überlagerung der beiden Zustände eines Ions, das Qubit. Für die für das Quantenregister notwendige Verschränkung zwischen den Ionen braucht man das Ionenfallenfeld: Die Ionen sind durch die Laserkühlung so langsam, dass sie das Fallenfeld als deutlich voneinander getrennte Energieniveaus sehen und idealerweise zunächst alle im niedrigsten Niveau sind. Über diese Niveaus hängen die einzelnen Qubits miteinander zusammen, und eine Gatteroperation wirkt somit auf das ganze Register.

Eine der zahlreichen Schwierigkeiten besteht darin, anschließend die Qubits auszulesen. Das geschieht mittels passendem Laserlicht. Nur in einem von beiden Zuständen absorbiert das Ion das Laserlicht und sendet die Photonen wieder aus, die dann eine CCD-Kamera oder ein Photodetektor misst. Im anderen Zustand bleibt es dunkel.

Wie man zwei Qubits miteinander quantenmechanisch verschränkt, weiß man seit Einstein, der die „spukhafte Fernwirkung“ zeitlebens nicht akzeptierte - er erlebte die experimentelle Bestätigung in den 70er Jahren nicht mehr. Schon bei drei Qubits gibt es mehrere Möglichkeiten der Verschränkung. Die Gruppe um Rainer Blatt nutzt so genannte W-Zustände für die Verschränkung, die den Vorteil haben, dass ein zerstörtes Qubit nicht das gesamte Quantenregister hochgehen lässt. Die Forschungsgruppe um Leibfried und Wineland am NIST in Boulder, Colorado, hat in einer Ionenfalle eine andere Art von verschränkten Qubits an sechs Ionen realisiert, auch Schrödinger-Katze-Zustände genannt (Nature, Vol. 438, 1. Dezember 2005, S. 639). Bei dieser Art der Verschränkung genügt ein zerfallenes Qubit, um die gesamte Verschränkung zu zerstören.

Schon ab vier Qubits gibt es unendlich viele Verschränkungsmöglichkeiten. Hier betreten die Forscher Neuland. Rainer Blatt spricht in diesem Zusammenhang von frei programmierbaren Quantenzuständen, sprich Verschränkungen, die es bislang noch nicht gab. Experten erwarten unter anderem mit Ionenfallen in naher Zukunft erhebliche Fortschritte der Quanteninformationsverarbeitung.

Das Konzept der Ionenkette ist wahrscheinlich skalierbar auf mehrere Dutzend Ionen oder Qubits. Je länger die Kette, desto schwerer wird sie und da die Qubits über die Ionenbewegung im Fallenfeld miteinander wechselwirken, nimmt dies bei längeren Ketten immer mehr Zeit in Anspruch. Ansätze, die sich für noch mehr Ionen eignen sollen, gehen daher weg von einer einzigen Ionenfalle und hin zu segmentierten Fallen, bei denen es einen Speicher- und einen Prozessorbereich gibt. Die Qubits werden zwischen den beiden Registern hin- und hertransportiert - ohne dass sie ihren Qubit-Inhalt verlieren. Erste Experimente am NIST gibt es bereits, weitere Forschungsgruppen arbeiten ebenfalls an diesem Konzept. (jr)

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