Der Computer von Quantenphysikerin Yiwen Chu und ihrem Team nutzt winzige Schwingungen, um Information zu speichern und zu verarbeiten. Diese verhalten sich ähnlich wie die Schwingungen von Saiten, die auf einer Gitarre die Töne erzeugen. Die Schwingungen, mit denen Chu und ihr Team arbeiten, spielen sich tief im Innern eines Quantenchips ab und dienen dazu, Quanteninformation abzuspeichern. Gebraucht werden diese Schwingungen, damit Chus Quantencomputer seine Berechnungen möglichst effizient ausführen und dafür flexibel auf einen Arbeitsspeicher zurückgreifen kann. „Wie Recheneinheit und Arbeitsspeicher zusammenspielen, schafft eine entscheidende Grundlage dafür, um Quantencomputer als leistungsfähiges und zuverlässiges Werkzeug für solche Berechnungen zu etablieren, die mit herkömmlichen Computern nicht möglich sind“, sagt Chu.
Die Physikprofessorin forscht über Quanteninformation und Quantenrechnerarchitekturen. Kürzlich haben ihr Team und sie im Wissenschaftsmagazin „Science“ einen neuen Ansatz vorgestellt, der das eigentliche Rechnen deutlich stärker vom Arbeitsspeicher trennt als viele bisherige Quantencomputermodelle, die Rechnen und Speichern eng miteinander verknüpfen.
Dazu hat Chu mit ihrem Team eine neue Quantenrechnerarchitektur entwickelt, die sich bewusst an klassischen digitalen Computern orientiert: In diesen verarbeitet CPU die Daten, die separat in einem Arbeitsspeicher (RAM) abgelegt sind. Die Rechnerarchitektur legt fest, wie die einzelnen Bauteile eines Computers angeordnet sind, um die Daten möglichst effizient zu verarbeiten.
In Chus Ansatz übernimmt ein supraleitendes Qubit die Rolle der zentralen Rechen‑ und Steuereinheit, die beim digitalen Computer der Prozessor (CPU) ausübt. Zugleich wird die zu verarbeitende Information in einem Quantenspeicher zwischengespeichert, sodass sie während der Berechnung verfügbar ist. „In unserem Quanten‑Arbeitsspeicher wird die Information jedoch nicht – wie heute zumeist üblich – elektromagnetisch gespeichert, sondern in Form mechanischer Schwingungen“, sagt Chu.
Um eine Berechnung auszuführen, greift das Qubit jeweils auf eine Information – also auf eine Schwingung – im Quantenspeicher zu, verarbeitet und verändert sie und speichert sie anschließend wieder dort ab. „Konkret enthält unser Quantenchip mechanische Resonatoren, winzige Bauteile, die beim Speichern zu schwingen beginnen“, sagt Chu.
Wie die Saiten einer Gitarre, die je nach Schwingung andere Töne erzeugen, können auch die Resonatoren auf sehr viele verschiedene Arten schwingen. In der Sprache der Informatik entsprechen diese Modi der Anzahl verfügbarer Speicherplätze. Heißt: Jede Art von Schwingung speichert eine andere Information.
Innerhalb der Schwingungsmodi lassen sich wiederum unterschiedliche Schwingungszustände realisieren. Gemeint ist damit der jeweils konkrete Zustand einer Schwingung, in dem die Information so gespeichert ist, dass sie sich flexibel abrufen und wieder ablegen lässt.
Informationstheoretisch entsprechen diese Zustände dem jeweiligen Inhalt der Speicherplätze. Quantenphysikalisch stellen diese Zustände jedoch den entscheidenden Unterschied zur Gitarre dar – und auch zum digitalen Computer: Die Schwingungen einer Saite folgen den Regeln der klassischen Physik, im Quantenchip dagegen können sich Zustände gleichzeitig überlagern und miteinander verschränken – ein solches Sowohl-als-auch kennt die klassische Physik nicht. Diese Möglichkeit eröffnet dem Quantenrechnen zusätzliche Wege der Berechnung für besonders komplexe Aufgaben bis hin zu solchen, an denen klassische Computer scheitern.
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Damit Quantencomputer zuverlässig rechnen und speichern können, müssen Forschende diese Zustände gezielt steuern und verändern. Das gelingt, wenn Recheneinheit und Arbeitsspeicher gut miteinander gekoppelt sind.
Bei Chu funktioniert das so: Die Resonatoren bewahren die jeweilige Information in einem bestimmten Schwingungszustand auf. Wenn das Qubit eine Information aus dem Quanten-RAM abruft, bearbeitet und verändert es diesen Schwingungszustand und speichert ihn danach wieder ab.
Bisher kombinierten viele Quantencomputermodelle elektromagnetische Speicher mit supraleitenden Qubits, da beide – für sich und im Zusammenspiel – gut erforscht sind und sich bewährt haben. Mit elektromagnetischen Speichertechnologien lassen sich Quantenzustände sehr präzise auslesen, verändern und kontrollieren.
Ihr Nachteil: Sie sind vergleichsweise groß und brauchen viel Platz – das dürfte die Weiterentwicklung der experimentellen Laborgeräte zu marktfähigen Quantencomputern für Forschung und Industrie erschweren. Hier setzt Chu an: Mechanische Resonatoren sind demgegenüber deutlich kleiner und kompakter. Zudem verfügen sie über eine größere Speicherkapazität, weil sie viele unterschiedliche Schwingungsmodi umfassen und damit mehr Information gleichzeitig speichern können als elektromagnetische Speicher. Zusätzlich halten sie die Quantenzustände länger stabil, ohne dass die Schwingung nachlässt und Information verloren geht. Das verlängert die Speicherzeit.
Chu [🔎] hat nun erstmals experimentell gezeigt, dass sich mechanische Resonatoren gut mit supraleitenden Qubits koppeln und kombinieren lassen, um Berechnungen auszuführen. Dafür liefert sie einen Machbarkeitsnachweis: Schwingende Arbeitsspeicher können eine aussichtsreiche Alternative zu elektromagnetischen Ansätzen sein.
Ob sich ihr Ansatz durchsetzt, hängt nun davon ab, wie gut er sich skalieren lässt. Das heißt: Chus Quantenchip muss auch in größeren Quantencomputing-Systemen mit erweiterten Rechenmöglichkeiten zuverlässig funktionieren.
Daran forscht Chus Team nun weiter. Einen prinzipiellen Nachweis hat das Team bereits erbracht: Ihr Ansatz, Qubits und Resonatoren in eine neue Rechnerarchitektur einzubetten, bewältigt nicht nur einfache Rechenaufgaben, sondern auch anspruchsvollere. Die Forschungsgruppe hat die Rechenfähigkeit ihres Ansatzes unter anderem an zwei Schlüsselproblemen getestet, die zu den wichtigsten Rechenmethoden des Quantenrechnens zählen: der Quanten‑Fourier‑Transformation und dem Finden von Perioden.
„Die Quanten-Fourier-Transformation ist ein grundlegendes Rechenverfahren, das für viele Quantenalgorithmen benötigt wird. Der von uns implementierte Algorithmus zur Periodenbestimmung zeigt, wie sich dieses Verfahren einsetzen lässt“, erklärt Igor Kladaric, Doktorand in Chus Team. Beide Methoden erfordern ein Quantenrechnersystem, das viele Quantenzustände gleichzeitig präzise steuern, speichern und zuverlässig miteinander verknüpfen kann. Gelingt das, gilt ein Quantencomputer als grundsätzlich rechenfähig – und genau das schafft Chus Ansatz. [ETHZ / dre]
