Der Autor ist freier Wissenschaftsjournalist in Darmstadt (Unter Qubits verstehen Forscher physikalische Systeme, die sich beispielsweise durch ein Magnetfeld in einer von zwei Richtungen orientieren lassen. Anders als ein klassisches Bit treten die Qubits allerdings nicht nur in exakt einem dieser beiden Zustände auf, sondern können auch alle möglichen Sowohl-als-auch-Zustände annehmen. Weil er mit solchen quantenmechanischen Mischzuständen hantiert, soll ein Quantenrechner einmal massiv parallel verarbeiten, was ein herkömmlicher Computer Schritt für Schritt berechnet.
Das erwähnte Dilemma ist nun folgendes: Einerseits will man Qubits vom Rest der Welt isolieren, etwa indem man Ionen mit elektromagnetischen Feldern in einem Vakuum schweben lässt (in so genannten Ionenfallen). Andererseits muss die zu berechnende Information in die Qubits irgendwie eingespeichert und wieder ausgelesen werden. Oft geschieht das mit Hilfe eines aufwändigen Laserstrahlverfahrens. Es ließe sich zwar einfacher bewerkstelligen, wenn man die Qubits in supraleitenden Chips speichert und die Rechnungen mit Mikrowellensignalen kontrolliert. Doch dann sind die Qubits noch stärker der Umwelt ausgesetzt und verlieren binnen einer Mikrosekunde ihre Information.
Parallelerfolg zweier Teams
Hinzu kommt ein weiteres Problem: Damit ein Quantencomputer rechnen kann, müssen mehrere Qubits so aneinander gekoppelt werden, dass sie einen gemeinsamen Quantenzustand bilden, Physiker sprechen von Verschränkung der Qubits. In den besser abgeschirmten Ionenfallen verschränkten Innsbrucker Physiker schon 2005 acht Qubits miteinander. In den supraleitenden Chips kamen Forscher bislang nur auf magere zwei.
Chip der Gruppe um DiCarlo Nahaufnahme des supraleitenden Quantencomputerchips der Forscher aus Yale. Die vertikalen Leiterbahnen erlauben es, die Qubits äußerst schnell zu schalten und miteinander zu verschränken.
Die Verschränkung dreier Qubits ist deshalb so bedeutend, weil sich mit ihr die ständigen Fehler korrigieren lassen, die sich durch Umwelteinflüsse in die Quantenrechnungen einschleichen. Die Forscher um DiCarlo haben in ihrer Arbeit den ersten Schritt einer solchen Fehlerkorrektur verwirklicht.
Zweierlei Qubits
Insgesamt enthalten die Chips beider Gruppen je vier Qubits. Im System der Gruppe um DiCarlo besteht jedes Qubit aus zwei Aluminiumschichten, die nebeneinander auf dem Chip aufgebracht wurden. Sie sind durch eine sehr schmale isolierende Schicht voneinander getrennt. Dennoch können, auf Grund des quantenphysikalischen Tunneleffekts, Elektronen von der einen zur anderen Aluminiuminsel gelangen. In Supraleitern verbinden sich Elektronen zu Paaren, so genannten Cooper-Paaren. Einer der beiden Zustände des Qubits ergibt sich dadurch, dass ein Cooper-Paar von der einen zur anderen Aluminiuminsel gelangt, wodurch die erste Insel eine positive Ladung erhält. Der andere Zustand ist der elektrisch neutrale Ausgangszustand. Da ein Supraleiter ein Quantensystem darstellt, existieren beide Zustände gleichzeitig, das Qubit kann also die geforderten Sowohl-als-auch-Zustände einnehmen.
Die Gruppe um Matthew Neeley baute ihre Qubits ebenfalls aus einem Aluminium-Supraleiter, der durch eine Isolatorschicht in zwei Hälften geteilt ist. Allerdings wird das Qubit hier durch eine andere Eigenschaft des Quantensystems dargestellt: Indem man Strom durch die Anordnung schickt, kann das System nur in zwei Energiezuständen existieren, ähnlich wie ein magnetisches Atom in einem äußeren Magnetfeld.
Chip mit vier Qubits Durch den kreuzförmigen Leiter in der Mitte hat das Team um Neeley die vier Qubits in den Ecken aneinandergekoppelt. Die Abbildung zeigt eine ein Millimeter mal ein Millimeter große Fläche.
Rechnen im Nanosekundentakt
Durch Sequenzen von Mikrowellenpulsen unterschiedlicher Dauer und Intensität, grob vergleichbar mit Morsezeichen, konnten die Physiker der Yale University drei der vier Qubits miteinander verschränken. Ebenfalls mit Hilfe von Mikrowellenpulsen konnten die Forscher den verschränkten Quantenzustand auslesen und die Verschränkung somit nachweisen. Ganz ähnlich funktionierte die Verschränkung dreier Qubits auf dem Chip aus Kalifornien. Beim Auslesen benutzten die Physiker zusätzlich einen extrem empfindlichen Magnetfeldsensor.
Beide Gruppen manipulierten die Qubits innerhalb weniger Nanosekunden. Das bedeutet, dass innerhalb der Mikrosekunde, in der eine solche Verschränkung anhält, theoretisch Hunderte von Operationen ausgeführt werden könnten.
Chip in der Halterung In dieser Halterung befestigten die Physiker um Neeley ihren Chip (links der Probenträger, rechts dessen Deckel). Damit das Aluminium supraleitend wird, muss es auf extrem niedrige Temperaturen von nur wenigen Grad über dem absoluten Nullpunkt heruntergekühlt werden.
Doch so wichtig beide Innovationen sind, mit einsatzfähigen Quantencomputern hat man es noch lange nicht zu tun. Ihr nächster Schritt, so die Forscher um DiCarlo, sei es, zu zeigen, dass auch alle weiteren Schritte des Quanten-Fehlerkorrektur-Verfahrens mit ihrem Chip durchgeführt werden können.
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