Ein programmierbarer Quantencomputer

Forscher in den USA haben einen Quantencomputer gebaut, der sich flexibel pro­gram­mieren lässt – wobei ein Quanten­compiler die gewünsch­ten Rechen­opera­tionen in entspre­chende Mani­pu­la­tionen der Ionen über­setzt. Auf diese Weise konnten wichtige Quanten­algo­rithmen reali­siert werden.

Noch ist unklar, ob Quantencomputer dereinst ihre Quanten­bits oder Qubits mit einzelnen Atomen, supra­lei­tenden Bau­ele­menten oder Fehl­stellen in Kristallen speichern werden. Im Gegen­satz zu Bits herkömm­licher Computer, die entweder „0“ oder „1“ sind, können Qubits in einer Super­position beider Zustände sein. Sie sind dann gleich­zeitig – und im Allge­meinen mit unter­schiedlicher Wahr­schein­lich­keit – sowohl „0“ als auch „1“.

Zudem können sich Qubits eines Quantencomputers in einem ver­schränkten Zustand befinden. Das hat zur Folge, dass Opera­tionen mit einem Qubit sich auch andere, mit ihm ver­schränkte Qubits aus­wirken. Durch Super­position und Ver­schränkung erreicht ein Quanten­computer einen hohen Grad an Paral­le­lität. Dadurch kann er Probleme lösen, die sich mit herkömm­lichen Elek­tronen­rechnern nicht bewäl­tigen lassen.

Schon jetzt zeichnet sich ab, dass für leistungs­fähige Quanten­computer ein modu­larer Aufbau vor­teil­haft ist. Dazu werden viele Quanten­pro­zes­soren, die jeweils eine begrenzte Zahl von Qubits speichern und verar­beiten können, quanten­mecha­nisch kohärent zusammen­ge­schaltet. Das kann bei­spiels­weise durch Photonen oder mecha­nische Schwin­gungen er­folgen. Die einzelnen Prozes­soren oder Mini­quanten­computer sollten sich dabei flexibel pro­gram­mieren lassen.

Solch einen kleinen flexibel programmierbaren Quanten­computer haben Chris­topher Monroe und seine Mitar­beiter von der Uni­ver­sity of Mary­land in den USA ent­wickelt. Er besteht aus fünf laser­ge­kühlten Ytter­bium-171-Ionen, die in einer line­aren Paul-Falle fest­ge­halten werden und sich nahezu in Ruhe befinden. Jedes der Ionen kann ein Qubit speichern, wobei zwei Hyper­fein­zu­stände des Grund­zu­stands der Ionen die Rolle der Zustände „0“ und „1“ spielen.

Da sich die Ionen in einem Magnetfeld befinden, haben die beiden Qubit-Zustände unter­schied­liche Energien, sodass abge­stimmte Laser­pulse, die auf die einzelnen Ionen fokus­siert werden, die atomaren Qubits in die gewünschte Super­position der beiden Zustände bringen. Die dabei in den Qubits gespei­cherte Quanten­infor­mation bleibt etwa eine halbe Sekunde lang erhalten – für die Quanten­infor­ma­tions­ver­ar­beitung eine Ewig­keit!

Werden die Laserpulse geringfügig verstimmt, so können die Forscher die Ionen zusätz­lich zu den Hyper­fein­über­gängen auch zu mecha­nischen Schwin­gungen anregen. Da die Ionen in der Falle ein­ander abstoßen, kommt es zur Wechsel­wirkung zwischen benach­barten Qubits, die der Wechsel­wirkung zwischen zwei magne­tischen Momenten ent­spricht. Dadurch werden die Qubits paar­weise quanten­mecha­nisch ver­schränkt. Durch Messung der zustands­ab­hängigen Fluo­res­zenz der Ionen konnte das Team den Erfolg dieser Opera­tionen über­prüfen. Sie hat eine Fehler­rate von unter zwei Prozent, die nach Ansicht der Forscher auf 0,1 Prozent ver­ringert werden kann.

Aus den elementaren Laseroperationen lassen sich logische Opera­tionen oder Logik­gatter wie das kontrol­lierte NOT oder CNOT aufbauen, die in Abhän­gig­keit von einem Input-Bit ein anderes Bit flippt oder unver­ändert lässt. Monroe und seine Kollegen haben einen Quanten­compiler ent­wickelt, der die einzelnen Logik­gatter in eine Folge von Laser­opera­tionen über­setzt und diese durch­führt. Dazu sind keine Ein­griffe in den Quanten­computer wie etwa Ver­schie­bung von Ionen nötig. Die Fehler­rate für diese Logik­gatter liegt unter fünf Prozent.

Aus den einzelnen Logikgattern bildeten die Forscher wichtige Quanten­algo­rithmen und testeten sie. Dazu gehört der Deutsch-Josza-Algo­rithmus, der über­prüft ob eine bit­wertige Funktion von n Input-Bits, ausge­wogen ist, ob sie also für genau die Hälfte der insge­samt 2ⁿ Input­bit­strings entweder 0 oder 1 ist. Der Quanten­computer muss dazu nicht alle Bit­strings einzeln durch­pro­bieren sondern kann an einem ver­schränkten Über­lage­rungs­zu­stand den Test parallel in einem Schritt durch­führen.

Ein weiteres Beispiel ist die Quanten-Fouriertransformation, die Peter Shors berühmtem Fakto­ri­sierungs­algo­rithmus zugrunde­liegt. Für fünf Qubits liegt die Fehler­rate hier aller­dings schon bei knapp vierzig Prozent. Die Forscher sind jedoch zuver­sicht­lich, dass sie dieses Ergebnis wesent­lich ver­bessern können, sodass eine effi­ziente Quanten­fehler­korrektur möglich wird. 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.

Rainer Scharf

RK