Ionenverfahren, das auf einem Quantencomputer abläuft

Eine Ionenfalle mit Mikrowellentechnologie soll die Fehlerrate bei Rechenoperationen drastisch senken. Bild: LUH/PTB

| von Fabian Pertschy

Im Zeitalter der Datenflut geraten klassische Computer an ihre Grenzen. Immer größer werdende Datenbanken, anspruchsvollere Rechenoperationen oder auch Big-Data-Konzepte erfordern in naher Zukunft einen technologischen Fortschritt. Mit ihrer erheblich größeren Leistung sollen Quantencomputer Aufgaben lösen, an denen bisherige Geräte scheitern. Die Einsatzszenarien sind vielfältig: Unter anderem könnten neue Materialen verstanden und erfunden oder die Grenzen von Verschlüsselungsverfahren ausgelotet werden. Die Speichereinheit der Zukunftsrechner wird – analog zu den allseits bekannten Bits – als Quantenbits beziehungsweise Qubits bezeichnet.

Momentan sind zwei experimentelle Ansätze zu deren Realisierung am weitesten fortgeschritten: supraleitende Schaltkreise, die die Quanteninformation in elektronischen Bauelementen speichern, sowie gefangene Ionen, die Selbiges in den unterschiedlichen Energieniveaus einzelner Atome ermöglichen. Mithilfe der ersten Variante konnte vor Kurzem erstmals aufgezeigt werden, dass die Bearbeitung bisher unmöglicher, hochspezialisierter Aufgaben möglich ist. Der Ionenansatz zeichnet sich hingegen durch eine geringere Fehlerrate der Rechen­operationen aus.

Neues Ionenverfahren zur Fehlerminimierung

Wissenschaftler am Institut für Quantenoptik der Leibniz-Universität in Hannover haben nun ein neues Ionen­verfahren vorgestellt, das die Fehlerrate bei Quantencomputern weiter reduzieren und somit deutlich schneller verlässliche Rechenergebnisse liefern soll. Im Rahmen des von der EU geförderten Projekts arbeiten die Forscher mit einer Reihe von Einrichtungen zusammen und konnten gemeinsam mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig ein neues Verfahren präsentieren.

Dabei werden die Ionen mithilfe elektrischer Felder in einem Vakuum oberhalb einer Chipstruktur festgehalten. Anstatt die üblichen, kontrollierten Laserstrahlen zu nutzen, werden die Rechenoperationen auf den Qubits mittels Mikrowellensignalen realisiert, die durch spezielle, in die Chipstruktur eingelassene Leiterschleifen geschickt werden.

Weit entwickelte Mikrowellentechnologie

Die Verwendung der Mikrowellentechnologie hat den Vorteil, dass sie sehr weit entwickelt ist – vom Flugzeug bis zum Mobiltelefon ist sie allgegenwärtig. Und es ist vergleichsweise einfach, ihre elektrischen Felder zu kontrollieren. Im Falle des Ionen-Mikrowellen-Quantencomputers konnten die Forscher belegen: Mikrowellenpulse, bei denen das Mikrowellenfeld langsam auf- und abgebaut wird, weisen einhundertmal niedrigere Fehlerraten auf als Rechenoperationen, bei denen die Felder einfach an- und ausgeknipst werden.

Das Team hatte dazu die Rechenfehler für unterschiedlich starke Störquellen und für beide Pulsformen ermittelt. „Früher mussten wir für gute Rechenoperationen lange probieren und optimieren, bis wir einen Moment erwischten, in dem die Störquellen sehr klein waren. Jetzt können wir unser Experiment einfach einschalten und es funktioniert“, erklärt Giorgio Zarantonello von der Uni Hannover.

Nachdem elementare Rechenoperationen mit niedrigen Fehlerraten zur Realität werden, wollen die Forscher dies nun auch für komplexere Aufgaben erreichen. Ihr Ziel ist es, künftig deutlich weniger als einen Fehler alle zehntausend Operationen zu erreichen.

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