Quantencomputing: Wie man Qubits implementiert

Quantenrechner als Experimentierfeld. Qubits lassen sich mit Ionenfallen, Gitterdefekten, supraleitenden Schaltkreisen oder Halbleiterspins implementieren.

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Von
  • Jann Hinnerk Ungerer
Inhaltsverzeichnis

Wer einen Quantenphysiker nach der Realisierbarkeit von Quantenrechnern fragt, wird vermutlich als eine der ersten Antworten eine Liste mit Zutaten erhalten, die er dafür benötigt. Diese Liste aus dem Jahr 2000, die auf den Jülicher Physiker David DiVincenzo zurückgeht, nennt Kriterien, die ein Quantencomputer bieten muss.

Der erste Punkt auf DiVincenzos Liste ist recht naheliegend und besagt, dass man ein physikalisches System wohldefinierter Quantenbits braucht. Solche Qubits bilden die kleinste Einheit eines Quantenprozessors und entsprechen den Bits eines klassischen Computers. Der Knackpunkt: Die Qubits müssen skalierbar sein, ihre Zahl und damit die Leistung des Quantenprozessors muss sich einfach vergrößern lassen. Dieses Detail ist die einzige Herausforderung, die der Entwicklung nützlicher Quantencomputer derzeit noch im Wege steht.

Als nächster Punkt auf DiVincenzo Liste muss die Initialisierung gelingen. Das heißt, es muss möglich sein, die verwendeten Qubits in einen bekannten Zustand zu versetzen. Eine intrinsische Eigenschaft von Qubits besteht darin, dass ihr Quantenzustand nach einiger Zeit verloren geht. Dieser Informationsverlust ist unvermeidbar, da er eine Eigenschaft jedes Quantensystems ist. Die Zeitskala, auf der die Information eines Qubits verloren geht, nennt man Dekohärenzzeit. Um also einen Quantencomputer zu bauen, muss die Zeitspanne des Erhalts – die Kohärenzzeit – des Qubits länger sein als die Zeit, die es braucht, Operationen auf dem Qubit auszuführen. Ferner muss der Zustand eines Qubits auslesbar sein, damit die Resultate eines Quantenalgorithmus in Erfahrung gebracht werden können.

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