Rechnen mit dem ersten Quantenprozessor

Physiker haben den ersten rudimentären Quantenprozessor entwickelt, der einem echten elektronischen Prozessor ähnelt und auf Festkörperbasis funktioniert. Mithilfe zweier Quantenbits aus künstlichen Atomen kann er bereits einfache Algorithmen ausführen. Die Forscher berichten jetzt in der Fachzeitschrift „Nature“ über ihre Entwicklung.

Um Quanten zum Rechnen zu bringen, mussten Wissenschaftler bisher meist mit einzelnen Atomen in einer Lösung oder mit Photonen arbeiten. Jetzt haben Physiker der Universität von Yale einen Prozessor entwickelt, der auf Basis zweier Quantenbits in festem Zustand Algorithmen ausführt. „Unser Prozessor kann nur ein paar sehr einfache Quantenaufgaben erledigen, die auch schon zuvor mit einzelnen Atomkernen, Atomen und Photonen demonstriert worden sind“, erklärt Robert Schoelkopf, Professor für Physik an der Yale Universität. „Aber dies ist das erste Mal, dass sie in einem elektronischen Gerät stattfinden, das wie ein normaler Mikroprozessor aussieht.“

Künstliche Qubits aus Aluminiumatomen

Als ersten Schritt für ihren Prozessor entwickelten die Forscher zwei künstliche Atome oder Qubits. Die Besonderheit daran: Obwohl diese Teilchen ihrerseits aus einer Milliarde Aluminiumatomen bestehen, agieren sie wie ein einziges Atom, das zwei mögliche Energiezustände einnehmen kann: Sie entsprechen dem „Null“ oder „Eins“ herkömmlicher Computerbits. Weil jedoch in der Quantenwelt ganz andere Gesetze herrschen als in der Welt der größeren Dinge, können die Wissenschaftler die Qubits auch dazu bringen, sich zu überlagern.

Das Geheimnis der Überlagerungen

Diese Überlagerung multipler Zustände erlaubt es Quantencomputern, zahlreiche Operationen oder Speichervorgänge gleichzeitig durchzuführen. An einem Beispiel verdeutlicht heißt das: Wenn ich vier Telefonnummern habe und nicht genau weiß, welche davon einem Freund gehört, muss ich normalerweise mindestens zwei bis drei Nummern durchtesten, bis ich auf die richtige stoße. Ein Quantenprozessor jedoch könnte die richtige Nummer in nur einem Durchgang identifzieren.

„Anstatt erst einen Anruf zu tätigen, dann den zweiten mit der nächsten Nummer, nutzen wir die Quantenmechanik um das Ganze zu beschleunigen“, so Schoelkopf. „Das ist so, als wenn wir einen Anruf machen würden, der alle vier Nummern gleichzeitig testet, aber nur bei der richtigen durchkommt.“

Stabilität um das Tausendfache erhöht

Warum also nutzt man diese tolle Technologie nicht schon längst? Das Problem ist die Stabilität der Qubits: Forscher experimentieren zwar schon seit rund einem Jahrzehnt mit Quanten, bisher aber behielten die Qubits ihre spezifischen Quantenzustände nicht länger als rund eine Nanosekunde bei – zu kurz für Rechenoperationen.

Schoelkopf und seinem Team ist es nun gelungen, diese Zeitspanne auf eine Mikrosekunde – und damit das Tausendfache – zu verlängern. Diese Zeit reicht aus, um einfache Algorithmen auszuführen. Für ihre Operationen kommunizieren die Qubits miteinander über einen „Quantenbus“, winzige Kabel, in denen Photonen die Information übertragen.

Leonardo DiCarlo, Postdoktorand an der Yale Universität und Hauptautor der Veröffentlichung erklärt, dass das abrupte An- und Ausschalten der Qubits der Schlüssel für das Funktionieren des Qubit-Prozessors gewesen sei. Dadurch wird die Information schnell ausgetauscht und dies auch nur dann, wenn die Forscher es wollten.

Erster Schritt zum Quantenrechner

Als nächstes Ziel wollen die Wissenschaftler den Zeitraum verlängern, in dem die Quantenzustände stabil bleiben, um dann auch komplexere Algorithmen durchführen zu können. Zudem sollen mehr Qubits mit dem Quantenbus verbunden werden, da die Prozessorleistung exponentiell mit jedem zusätzlichen Qubit ansteigt.

Das Potenzial für fortgeschritteneres Quantenrechnen sei enorm, so Schoelkopf. Dennoch werde es noch einige Zeit brauchen, bis Quantencomputer eingesetzt werden können, um komplexe Probleme zu lösen. „Wir sind noch immer weit davon entfernt, einen praktisch anwendbaren Quantencomputer zu bauen“, so der Forscher. „Aber dies ist ein großer Schritt vorwärts.“

(Yale University, 30.06.2009 – NPO)