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Quantencomputer : Aufrüstung für den Quantenchip

Der Quantencomputer nähert sich in Trippelschritten der Einsatzreife. Erstmals gelang es, drei Qubits in einem supraleitenden Chip miteinander zu verschränken.
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Ob das Herz eines Quantencomputers, ähnlich wie das heutiger Rechner, aus Chips bestehen oder ganz anders aufgebaut sein wird, etwa aus geladenen Atomen, die in elektromagnetischen Feldern eingesperrt sind, weiß heute niemand. Denn die Forscher kämpfen mit einem Dilemma: Die "Qubits", mit denen er rechnen wird, sind empfindliche Mimosen. Schon winzigste Energieeinträge aus der Umwelt genügen, um den quantenmechanischen Zustand zu zerstören und damit die gespeicherte Information.

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.

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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.
Mit diesen beiden konnten Physiker um Leonardo DiCarlo von der Yale University bereits einfache Algorithmen ausführen. Nun vermelden sie, das nächste wichtige Etappenziel erreicht zu haben: die Verschränkung dreier Qubits in einem supraleitenden Chip [1]. Allerdings sind sie damit nicht allein. Dasselbe Ergebnis erzielte zeitgleich auch ein Wissenschaftlerteam um Matthew Neeley von der University of California in Santa Barbara – wenn auch mit einer anderen Technik [2]. Im Fachjournal "Nature" berichten beide nun, wie sie mit ihren Systemen sogar einfache Manipulationen an den verschränkten Qubits ausgeführt haben, also gewissermaßen einfache Rechnungen erledigten.

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.

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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.
Aneinandergekoppelt werden die Qubits in dem Chip von DiCarlo durch den Austausch von Mikrowellen, die sich durch einen dünnen Kanal auf dem Chip fortpflanzen. Dieser Kanal dient gleichzeitig dazu, Information in Form von Mikrowellenpulsen in den Chip ein- und auszulesen. Beim anderen Chip werden die Qubits über Kondensatoren miteinander verbunden.

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.

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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.
Der Wiener Physiker Johannes Majer, Experte auf dem Gebiet supraleitender Chips, aber an keiner der aktuellen Arbeiten beteiligt, bezeichnet die Verschränkung dreier Supraleitungs-Qubits als "sehr wichtigen Schritt vorwärts". Die Qualität der Verschränkung sei so gut, dass man von ihr in einem Quantencomputer Gebrauch machen könnte. "Die Forscher machen relativ komplexe logische Operationen, ohne dass der quantenmechanische Zustand zerstört wird", sagt Majer.

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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