Flexibler Quantencomputer

Während herkömmliche Computer mit Bits rechnen, die die Werte „0“ oder „1“ haben, verarbeitet ein Quantencomputer „Qubits“, die wie Schrödingers Katze in einer quantenmechanischen Überlagerung zweier Zustände sind: Qubits können gleichzeitig „0“ und „1“ sein. Zudem können sich die Qubits eines Quantencomputers gemeinsam in einem sogenannten verschränkten Quantenzustand befinden. Dadurch erreicht die Rechenleistung eines Quantencomputers einen sehr hohen Grad an Parallelität, sodass sie die von herkömmlichen Computern weit übertrifft.

Eine goldene Ionenfalle, die das Herz des Quantencomputers darstellt, vor einem violettfarbenen Hintergrund.
Ionenfalle als Herzstück des Quantencomputers

Zur Speicherung und Verarbeitung von Qubits benutzt man isoliert gehaltene Atome und Ionen, supraleitende Bauelemente oder Fehlstellen in Kristallen. Mit Ionen in Ionenfallen lassen sich Quanteninformationen etwa eine Sekunde lang speichern – genug Zeit, um viele Rechenschritte durchzuführen. Dazu werden die Ionen mit abgestimmten Laserpulsen bestrahlt, die die in ihnen gespeicherten Qubits gezielt verändern.

Jetzt haben Christopher Monroe und Kollegen von der University of Maryland im US-amerikanischen College Park einen neuartigen Ionen-basierten Quantencomputer entwickelt. Dieser kann im Gegensatz zu bisherigen Quantencomputern flexibel programmiert werden, wie die Forscher im Fachblatt „Nature“ schreiben. Der Rechner besteht aus fünf Ytterbiumionen, die in einer sogenannten Paul-Falle mit elektrischen Wechselfeldern in einer Reihe angeordnet festgehalten wurden. Kühlung mit Laserlicht brachte die Atome praktisch völlig zur Ruhe.

Jedes der Ionen konnte mit dem Quantenzustand seines äußersten Elektrons ein Qubit speichern. Dazu wurde es mit einem abgestimmten Laserpuls bestrahlt. Indem die Forscher die Frequenz der Laserpulse etwas verstimmten, regten sie die Ionen in der Falle zusätzlich zu mechanischen Schwingungen an. Da die positiv geladenen Ionen einander abstießen, wenn sie sich nahe kamen, beeinflussten die Qubits einander und die Ionen gerieten in einen verschränkten Zustand. So konnten die Qubits nach Wunsch einzeln oder paarweise verändert werden. Anhand des von den Ionen abgestrahlten Fluoreszenzlichts ließ sich der Erfolg dieser Operationen überprüfen. Demnach lag die Fehlerrate unter zwei Prozent.

Aus diesen elementaren Laseroperationen konnten logische Operationen, auch Logikgatter genannt, aufgebaut werden. Ein Beispiel ist das kontrollierte NOT oder CNOT, bei dem in Abhängigkeit von einem Inputbit ein anderes Bit seinen Wert wechselt oder unverändert bleibt. Monroe und seine Kollegen haben einen Quantencomputer entwickelt, der die einzelnen Logikgatter in eine Folge von Laseroperationen übersetzte und diese dann durchführte. Dazu waren keine direkten Eingriffe in den Quantencomputer wie etwa eine Verschiebung der Ionen nötig. Die Fehlerrate für solche Logikgatter lag unter fünf Prozent.

Aus den einzelnen Logikgattern bildeten die Forscher wichtige Quantenalgorithmen und testeten sie. Dazu gehörte der Deutsch-Josza-Algorithmus. Mit ihm überprüft ein Quantencomputer, ob eine Funktion von einer bestimmten Anzahl „n“ an Inputbits, die ihrerseits nur die Werte „0“ oder „1“ annimmt, „ausgewogen“ ist, das heißt, ob sie für genau die Hälfte der insgesamt 2n möglichen Inputbitstrings 0 beziehungsweise 1 ist. Der Quantencomputer musste dazu nicht alle Bitstrings einzeln durchprobieren, sondern konnte an einem speziell präparierten Satz von Qubits den Test in einem Schritt durchführen.

Ein weiteres Beispiel war die Quanten-Fouriertransformation, die Peter Shors berühmtem Algorithmus zugrunde liegt, mit dem ein Quantencomputer das Produkt aus zwei großen, aber unbekannten Primzahlen in seine Faktoren zerlegen kann. Herkömmliche Elektronenrechner scheitern an dieser Aufgabe. Für fünf Qubits lag die Fehlerrate für diesen Algorithmus allerdings schon bei knapp 40 Prozent. Die Forscher sind aber zuversichtlich, dass sie dieses Ergebnis noch wesentlich verbessern können. Zudem müsste auch die Zahl der Ionen in der Falle noch deutlich erhöht werden, damit der Quantencomputer leistungsfähiger wird. Seine flexible Programmierung ist aber schon jetzt ein Durchbruch.