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Quantencomputer: Prüfverfahren für Quantenrechner

Die Arbeitsgruppe um Nadav Katz von der Universität von Kalifornien in Santa Barbara und hat zusammen mit Kollegen aus Riverside eine Methode entwickelt, mit der sich künftig eventuell überprüfen ließe, ob Kalkulationen, die auf einem Quantencomputer angestellt worden sind, richtig sind oder einer Fehlerkorrektur bedürfen. Weil sich bei jeder Rechnung, die ein derartiger Computer ausführt, immer wieder Irrtümer einschleichen können, ist eine Prüfung der Zwischenergebnissen unumgänglich, um schlussendlich sagen zu können, ob das Resultat vertrauenswürdig ist.

Quantenzustände | Messungen verändern einen Quantenzustand und zerstören ihn meist. Jetzt wollen amerikanische Forscher dennoch eine Möglichkeit gefunden haben, das Ergebnis einer quantenmechanischen Rechnung kontrollieren zu können, ohne den Kollaps der Berechnung herbeizuführen.
Von diesen neuartigen Rechenmaschinen erhoffen sich die Entwickler einmal Leistungen, die alles bisher da Gewesene bei weitem übersteigt. Im Gegensatz zu den jetzt gebräuchlichen Elektronenhirnen arbeiten die Quanteneinheiten nicht mehr mit den eindeutig unterscheidbaren Zwei-Bit-Zuständen Eins und Null, sondern mit so genannten Quantenbits. Diese "Qubits" können beide oder sogar mehrere Zustände gleichzeitig annehmen, was dazu führt, dass selbst komplexeste Kalkulationen in hoch parallelen Arbeitsschritten rasch durchführbar sind.

Doch sind diese quantenmechanischen Objekte außerordentlich fragil. Die kleinste Störung kann das Ergebnis verfälschen. Deswegen ist die Überwachung von Zwischenergebnissen unerlässlich, wenngleich eine dafür notwendige Kontrollprozedur selbst bereits die Gefahr in sich birgt, den Quantenzustand für weitere Rechnungen unbrauchbar zu machen.

Katz und sein Team scheinen nun ein Verfahren gefunden zu haben, schonend Zwischenergebnisse aus Qubits auslesen zu können. Die Wissenschaftler arbeiten mit supraleitenden Bauelementen, die Josephson-Kontakte genannt werden. Dort durchdringen Elektronen, die zu so genannten Cooper-Paaren vereint sind, nach quantenmechanischen Regeln eine dünne Isolatorschicht.

Derartige Elemente lassen sich als Quantenbits verwenden. Bei geeigneter Wahl von Strom und Spannung, enthält die Schaltung gleichzeitig zwei oder mehrere Zustände, die sich in verschiedene hohe Energiewerte äußern, welche in einem so genannten Potenzialtopf gefangen sind.

Durch einen hochfrequenten Wechselspannungspuls im Gigahertzbereich können die Experimentatoren nun mehrfach hintereinander blitzartig eine dieser Flanken des elektrischen Gefängnisses absenken. Zustände hoher Energie können auf diese Weise mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit dem Käfig entkommen und anschließend gemessen werden. Sie verraten dem Experten, in welchem Zustand sich die Schaltung befand, ohne die darin enthaltene Information vollständig zu zerstören. Das Qubit stände daher weiterhin für nachfolgende Kalkulationen zur Verfügung.

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