Nicht nur Nullen und Einsen

Computer basieren auf binären Informationen – Nullen und Einsen. Aufbauend auf dem Erfolg klassischer Computer, gilt die binäre Informations­ver­arbeitung bislang auch als Basis für neuartige Quanten­computer. „Die physika­lischen Bausteine des Quanten­computers können allerdings deutlich mehr als nur Null und Eins“, erklärt Martin Ringbauer von der Uni Innsbruck. „Die Einschränkung auf binäre Systeme nimmt diesen Computern viel von ihrem echten Potenzial.“ Ringbauer und seinen Kollegen ist es jetzt gelungen, einen Quanten­computer zu realisieren, der dieses Potenzial voll ausnutzen und damit mehr Rechen­leistung mit weniger Quanten­teilchen erreichen kann.

Information in Null und Eins zu speichern, ist zwar nicht die effizienteste Art zu rechnen, aber die einfachste, und einfach heißt auch oft verlässlich und wenig fehler­anfällig. So ist die binäre Informations­verarbeitung heutzutage der unumstrittene Standard. In der Quantenwelt sieht das anders aus, da es kaum Systeme mit nur zwei Zuständen gibt. „Im Innsbrucker Quanten­computer wird Information beispielsweise in einzelnen gefangenen Kalzium­atomen gespeichert, die jeweils acht Zustände haben, von denen bisher aber nur zwei zum Rechnen verwendet wurden“, erklärt Teamleiter Thomas Monz. Ähnliches gilt für fast alle existierenden Quanten­computer weltweit.

Wie das Team jetzt gezeigt hat, ist es jedoch möglich einen Quanten­computer so zu konstruieren, dass das volle Potenzial der Atome ausgenutzt werden kann, indem alle vorhandenen Zustände als Qudits zum Rechnen verwendet werden. Dieses neue Rechenmodell ist optimal auf die Quanten­hardware abgestimmt, und die Forscher konnten zeigen, dass der neue Quanten­computer genauso verlässlich arbeitet, wie einer mit nur Nullen und Einsen.

Ähnlich sieht es mit Anwendungen aus. Denn viele der Aufgaben, die Quanten­computer brauchen, wie in der Physik, Chemie, oder den Material­wissen­schaften, sind auf natürliche Weise für Qudits formuliert. Versucht man diese für übliche Quanten­computer umzuschreiben, werden sie oft zu kompliziert für heutige Maschinen. „Mit mehr als Nullen und Einsen zu rechnen, ist nicht nur optimal für die Quanten­computer, sondern auch deutlich natür­licher für viele Anwendungen“, sagt Ringbauer. „Dieser Ansatz ermöglich uns, das volle Potenzial unserer Quanten­computer auszu­schöpfen“.

U. Innsbruck / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. Ringbauer et al.: A universal qudit quantum processor with trapped ions, Nat. Physics, online 21. Juli 2022; DOI: 10.1038/s41567-022-01658-0
• Photonik, Institut für Experimentalphysik, Universität Innsbruck, Österreich