Quantencomputer: Forschende lösen grundlegende Probleme

Quantencomputer versprechen, Aufgaben zu lösen, an denen die leistungsstärksten Supercomputer der Welt scheitern. Sie simulieren Materialeigenschaften, Effekte der Finanzwirtschaft, aber auch Eigenschaften von Arzneistoffen in der Medizin.

Um effizient zu arbeiten, ist eine robuste, skalierbare Hardware erforderlich. Bislang war die Herausforderung für große Quantencomputer, einen effektiven Weg zu finden, um einzelne, über den Chip verteilte Knoten mit Quanteninformationen zu verbinden. Da sich Quantencomputer grundlegend von klassischen Computern unterscheiden, lassen sich herkömmliche Techniken zur Übermittlung elektronischer Informationen nicht direkt übertragen. Unabhängig davon, ob eine klassische Verbindung oder eine Quantenverbindung verwendet wird, müssen die übertragenen Informationen fehlerfrei gesendet und empfangen werden.

Jetzt sind Forschende am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge einen großen Schritt vorangekommen. Sie haben eine Architektur für Quantencomputer entwickelt mit dem Ziel, eine erweiterbare, zuverlässige Kommunikation zwischen supraleitenden Quantenprozessoren zu erreichen. Grundlage ist die Aussendung einzelner Photonen als Informationsträger in eine vom Benutzer vorgegebene Richtung. Ihre Methode gewährleistet, dass die Quanteninformation in mehr als 96% aller Fälle in die richtige Richtung fließt.

So wird ein Quantencomputer stabiler und effizienter

Daran sind Quantencomputer bislang gescheitert

Doch wo genau liegt das Problem? In einem klassischen Computer erfüllen Komponenten unterschiedliche Funktionen. Sie führen Berechnungen durch oder speichern Informationen. Daten werden als Bits mit einer Null oder Eins als Wert abgelegt. In leitenden Materialien bewegen sich Elektronen zum Informationsaustausch.

Quanteninformationen sind jedoch komplexer; sie können nicht mit solchen Strukturen übertragen werden. Netzwerke verbinden einzelne Knoten mit Hilfe von Photonen, also Lichtteilchen, die durch spezielle Verbindungsleitungen, den Wellenleitern, übertragen werden. Ein Wellenleiter kann entweder unidirektional sein und ein Photon nur nach links oder rechts bewegen. Oder er ist bidirektional, sprich unterstützt den Transport in beide Richtungen.

Die meisten experimentellen Quantencomputer verwenden unidirektionale Wellenleiter. Sie sind einfacher zu implementieren, da die Richtung, in der sich die Photonen bewegen, leicht festgelegt werden kann. Da aber jeder Wellenleiter Photonen nur in eine Richtung bewegt, werden mit zunehmender Größe des Quantennetzwerks mehr Wellenleiter benötigt, was die Skalierung bei Netzwerken erschwert. Darüber hinaus sind bei unidirektionalen Wellenleitern in der Regel zusätzliche Komponenten erforderlich, um die Richtungsabhängigkeit zu gewährleisten, was zu Kommunikationsfehlern führt.

Jetzt stellen MIT-Ingenieurinnen und -Ingenieure einen Wellenleiter vor, der bidirektional ist – mit der Option, die Richtung nach Belieben zu wählen. Mehrere Verarbeitungsmodule können entlang dieses Wellenleiters aufgereiht werden. Ein bemerkenswertes Merkmal dieses Konzepts ist, dass dasselbe Modul sowohl als Sender als auch als Empfänger verwendet werden kann. Photonen können von zwei beliebigen Modulen entlang eines gemeinsamen Wellenleiters gesendet und eingefangen werden.

Forschende nutzen Quanteneigenschaften aus

Um dies zu demonstrieren, bauten Forschende ein Modul aus vier sogenannten Qubits. Diese speziellen Bausteine von Quantencomputern werden zur Speicherung und Verarbeitung von Quanteninformationen verwendet. Qubits können aber auch genutzt werden, um Photonen auszusenden.

Der Anschluss eines Qubits an einen Wellenleiter allein führt noch nicht zur Richtungsabhängigkeit. Ein Qubit sendet zwar ein Photon aus. Aber ob es nach links oder nach rechts wandert, das geschieht rein zufällig. Um dieses Problem zu umgehen, verwenden die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zwei Qubits und steuern die Emission mit quantenmechanischen Effekten.

Auch zum Empfangen eignet sich die Technik. „Jedes Photon hat eine bestimmte Frequenz, eine bestimmte Energie, und man kann ein Modul darauf vorbereiten, es zu empfangen, indem man es auf dieselbe Frequenz abstimmt“, erklärt Aziza Almanakly vom MIT. „Wenn sie nicht dieselbe Frequenz haben, wird das Photon einfach vorbeifliegen.“ Das sei vergleichbar mit dem Einstellen eines Radios auf einen bestimmten Sender. „Wenn wir die richtige Radiofrequenz wählen, können wir die Musik empfangen, die auf dieser Frequenz gesendet wird“, so Almanakly weiter. Im Experiment erzielten die Ingenieurinnen und Ingenieure mit dem Aufbau eine hohe Genauigkeit. Wenn sie ein Photon nach rechts aussenden wollten, ging es in 96% der Fälle tatsächlich rechts.

Leistungsfähige Quantenprozessoren für Quantencomputer konstruieren

Nachdem sie mit dieser Technik effektiv Photonen in eine bestimmte Richtung aussenden konnten, wollen die Forschenden nun mehrere Module miteinander verbinden und das Verfahren zum Aussenden und Absorbieren von Photonen einsetzen. Dies wäre ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Entwicklung einer modularen Architektur, die viele kleinere Prozessoren zu einem größeren und leistungsfähigeren Quantenprozessor vereint: eine Grundlage für Quantencomputer.

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