25.06.2014, 10:55 Uhr | 0 |

Einstellung in fünf Minuten Experimenteller Quantencomputer auf Knopfdruck einsatzbereit

Physiker der Universität des Saarlandes haben eine neue Methode entwickelt, mit der ein experimenteller Quantencomputer in nur fünf Minuten eingestellt werden kann und auch stabil weiter läuft. Bisher dauerte die Kalibrierung an die sechs Stunden. Und hielt auch nicht besonders lange. Wissenschaftlern blieb bislang nur wenig Zeit, um mit dem Quantenprozessor zu experimentieren, bevor die empfindlichen Einstellungen wieder stundenlang nachjustiert werden mussten. In Zukunft können Forscher ein Experiment in fünf Minuten vorbereiten und auch viel länger am Stück forschen.

Schaltkreis für einen Quantencomputer
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Das Bild zeigt einen integrierten Schaltkreis für einen Quantencomputer mit 5 Quantenbits (Kreuze). An solchen Chips wurde die neue Kalibrierungsmethode experimentell demonstriert.

Foto: Erik Lucero/UCSB

Ein normaler Computer wird mit einem Knopfdruck eingeschaltet und ist in der Regel nach wenigen Minuten ohne weitere Eingriffe betriebsbereit. Bei Quantencomputern ist das anders, denn wenn sich die Umgebungsbedingungen auch nur geringfügig ändern, funktionieren Überlagerung und Verschränkung der Quantenzustände nicht mehr.

Es geht dabei nicht nur um eine Handvoll Parameter wie Temperatur, Licht oder Luftdruck, sondern es sind insgesamt rund 50 Werte, die genau eingestellt sein müssen, damit der Quantencomputer korrekt arbeitet.

Viel Aufwand für kurze Experimentierzeiten

„Bisher haben sich Quantenphysiker also jeden Tag aufs Neue hingesetzt und geschaut, was anders ist als am Vortag. Sie haben jeden Parameter gemessen und den Chip immer wieder mühsam neu kalibriert“, erklärt Frank Wilhelm-Mauch, Professor für Quanten- und Festkörpertheorie an der Universität des Saarlandes. Die Abweichungen dieser Parameter dürfen eine Fehlerrate von einem Promille nicht überschreiten, damit die QBits auch wirklich wie solche arbeiten. „Das bedeutet, dass nur bei einer von 1000 Messungen ein Fehler passieren darf. Sind nur zwei von 1000 Messungen fehlerhaft, kann die Software das nicht mehr korrigieren und der Quantencomputer läuft fehlerhaft“, erklärt Frank Wilhelm-Mauch die Empfindlichkeit.

Bis diese Parameter manuell korrekt eingestellt waren, vergingen bisher üblicherweise rund sechs Stunden. Dann konnte man kurz in die Experimente einsteigen, bis die Veränderungen der Umgebungswerte wieder eine Neujustierung erforderlich machten. Dieses schlechte Verhältnis von Aufwand zu Nutzen wollten Wilhelm-Mauch und sein Doktorand Daniel Egger verbessern, was ihnen auch mit Methoden der Ingenieurwissenschaften gelang.

Kalibrierung in nur noch fünf Minuten statt sechs Stunden

Sie verfolgten einen für Wissenschaftler ungewöhnlich pragmatischen Ansatz: „Wir haben uns gefragt, warum man jeden Tag aufs Neue verstehen muss, was anders ist als am Vortag? Also haben wir uns irgendwann gesagt: Das müssen wir gar nicht. Entscheidend ist, dass die Einstellung am Ende funktioniert. Warum sie funktioniert, ist nicht so wichtig.“ 

„Wir haben für die Kalibrierung des Quantenchips einen Algorithmus aus der Ingenieurmathematik, genauer gesagt, aus dem Bauingenieurwesen, verwendet. Denn auch dort sind Versuche teuer“, erläutert der Physiker Wilhelm-Mauch. Mithilfe dieses Tricks gelang es den beiden Theoretikern, die Fehlerquote beim Kalibrieren auf unter die benötigten 0,1 Prozent zu senken und gleichzeitig die Geschwindigkeit des Einstellverfahrens drastisch von sechs Stunden auf nur noch fünf Minuten zu reduzieren.

Inzwischen haben Experimentalphysiker der University of California in Santa Barbara die Ad-HOC genannte Methode der Saarbrücker Forscher gründlich getestet. Über die neue schnelle Kalibrierung berichten sowohl die amerikanischen als auch die deutschen Forscher in den Physical Review.

Mehr Zeit für Experimente

Für künftige Experimente bei der Erforschung von Quantencomputern ist dieser Fortschritt ungemein wichtig. Nun sind in allen Physik-Labors dieser Welt nicht mehr jeden Tag stundenlange Vorarbeiten nötig, um nur eine kurze Zeit lang experimentieren zu können. „Denn während der langen Kalibrierungsphase haben sich viele Parameter wie Temperatur, Licht und Luftdruck ja bereits wieder leicht verändert, so dass die Zeitspanne, in der der Chip fehlerfrei läuft und man damit experimentieren kann, immer kürzer wird“, erklärt Wilhelm-Mauch und ergänzt, dass seine Überlegungen skalierbar seien.

Aus rein technischen Gründen sind die Experimente bisher nur mit einem Chip möglich, auf dem fünf Quantenbits die Rechenoperationen durchführen. In Zukunft sind der Größe des Chips mit dieser Methode kaum Grenzen gesetzt – die Anzahl von QBits ist beliebig vergrößerbar.

Auf den Clou an seiner Methode weist Frank Wilhelm-Mauch mit einer Portion Humor hin: „Unsere Methode ist im Gegensatz zu der bisherigen Kalibrierung von Hand vollautomatisch. Der Wissenschaftler drückt also tatsächlich nur einen Knopf wie bei einem herkömmlichen Computer und geht Kaffee holen, bis der Quantencomputer einsatzbereit ist.“ Im Alltag der Forscher aus der Quantenphysik ist das ein nicht zu vernachlässigender Gewinn.

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Von Klaus Ahrens
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