Quantencomputer speichert Daten wie Gitarrensaiten
Wie eine Gitarrensaite, nur im Quantenchip: ETH-Forschende speichern Information in mechanischen Schwingungen.
Wie Gitarrensaiten können auch mechanische Resonatoren unterschiedlich schwingen. An der ETH Zürich nutzen Forschende solche Schwingungen, um Quanteninformation zu speichern.
Foto: Smarterpix / Bilderix
Ein Quantenchip der ETH Zürich speichert Information in Schwingungen. Das klingt nach einem physikalischen Kunststück, adressiert aber ein sehr praktisches Problem: Quantencomputer brauchen Speicher, der kompakt ist, lange stabil bleibt und sich präzise ansteuern lässt.
Das Team um Physikprofessorin Yiwen Chu setzt dafür auf mechanische Resonatoren. Diese winzigen Bauteile können in unterschiedlichen Modi schwingen. Bestimmte Schwingungsmodi dienen dabei als Speicherplätze für Quanteninformation. Gesteuert wird das System von einem supraleitenden Qubit, das Rechenoperationen ausführt und die gespeicherten Zustände verändert.
Der Vergleich mit einer Gitarre hilft beim Verständnis: Eine Saite erzeugt je nach Schwingung verschiedene Töne. Im Quantenchip entstehen keine hörbaren Klänge. Dort tragen quantisierte mechanische Schwingungen, sogenannte Phononen, die Information.
„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“, erklärt Yiwen Chu.
Inhaltsverzeichnis
Warum Quantencomputer besseren Speicher brauchen
Klassische Rechner basieren auf Bits, also 0 oder 1. Quantencomputer nutzen dagegen Qubits. Diese können dank Superposition mehrere Zustände überlagern und sich miteinander verschränken. Dadurch eröffnen sich andere Rechenwege für bestimmte Problemklassen. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an Stabilität und Kontrolle.
Quantenzustände sind empfindlich. Sie reagieren auf kleinste Störungen wie:
- thermisches Rauschen,
- elektromagnetisches Rauschen,
- ungewollte Wechselwirkungen mit der Umgebung.
Ein Quantencomputer muss solche Zustände nicht nur erzeugen. Er muss sie auch lange genug speichern, gezielt verändern und zuverlässig wieder auslesen. Genau hier setzt die Arbeit der ETH Zürich an.
Bisherige Ansätze nutzen häufig Mikrowellenresonatoren, also elektromagnetische Speicher. Diese lassen sich präzise kontrollieren und sind in der supraleitenden Quantenhardware gut etabliert. Sie haben aber einen Nachteil: Sie brauchen vergleichsweise viel Platz. Wenn Quantencomputer künftig mit vielen Qubits und Speichermodi arbeiten sollen, wird dieser Platzbedarf zu einem Problem.
Mechanische Resonatoren bieten hier einen alternativen Lösungsweg. Sie stellen viele Schwingungsmodi auf engem Raum bereit. Ein Modus ist eine bestimmte Art, in der ein Bauteil schwingt. Vereinfacht gesagt kann jeder nutzbare Modus als Speicherplatz dienen. Das macht die Chip-Architektur potenziell kompakter.
Rechnen und Speichern werden getrennt
Das Prinzip erinnert an klassische Computerarchitektur. Dort verarbeitet ein Prozessor die Daten, während der Arbeitsspeicher sie temporär bereithält. Genau diese Arbeitsteilung übertragen die Forschenden nun auf die Quantenwelt.
Auf dem ETH-Chip übernimmt ein supraleitendes Transmon-Qubit die Rolle der Rechen- und Steuereinheit. Transmon-Qubits gehören zu den etablierten Bauformen in der modernen Quantenhardware. Sie lassen sich schnell schalten und relativ gut kontrollieren.
Der mechanische Resonator übernimmt dagegen die Speicherfunktion. Das Qubit steuert ihn an, verändert seinen Zustand und liest die Information wieder aus.
Es entsteht eine klare Arbeitsteilung:
- Das Qubit führt die Rechenoperationen aus.
- Der mechanische Resonator speichert die Information.
- Die Kopplung zwischen beiden entscheidet darüber, wie zuverlässig das System arbeitet.
„In unserem Quanten-Arbeitsspeicher wird die Information jedoch nicht – wie heute zumeist üblich – elektromagnetisch gespeichert, sondern in Form mechanischer Schwingungen“, sagt Chu.
Was hinter dem HBAR steckt
Die ETH-Forschenden nutzen einen High-Overtone Bulk Acoustic Wave Resonator, kurz HBAR. Hinter dem sperrigen Begriff steckt ein akustischer Resonator, der in vielen unterschiedlichen Schwingungsformen betrieben werden kann.
Diese Multimodi-Fähigkeit macht ihn für den Einsatz als Quanten-RAM interessant. RAM steht für Random Access Memory, also Arbeitsspeicher. Gemeint ist hier nicht ein klassischer Speicherchip, sondern ein Quantenspeicher, auf dessen Zustände das Qubit gezielt zugreifen kann.
Während bei einer Gitarre die Schwingung einer Saite den Ton bestimmt, codiert im Quantenchip der genaue Zustand einer Schwingung die Information. Der entscheidende Unterschied: Eine Gitarrensaite folgt der klassischen Physik. Im ETH-Chip gelten die Regeln der Quantenmechanik.
Das bedeutet: Ein Schwingungszustand kann nicht nur einen festen Wert annehmen. Er kann auch in einer Überlagerung mehrerer Zustände vorliegen oder mit anderen Zuständen verschränkt werden. Genau diese Eigenschaften machen Quantensysteme für bestimmte Rechenaufgaben interessant.
Für die Praxis zählt jedoch vor allem die Kontrolle. Die Forschenden müssen die Zustände gezielt erzeugen, verändern, auslesen und über einen ausreichenden Zeitraum stabil halten. Die Arbeit an der ETH Zürich zeigt nun, dass diese Kopplung zwischen mechanischen Resonatoren und supraleitenden Qubits für grundlegende Quantenoperationen funktioniert.
Test mit zentralen Quantenalgorithmen
Das Team testete die Architektur nicht nur mit einfachen Operationen. Die Forschenden demonstrierten ein universelles Set an Quantengattern. Quantengatter sind die einzelnen Rechenschritte eines Quantenalgorithmus. Ein universelles Set bedeutet: Aus diesen Grundoperationen lassen sich prinzipiell beliebige Quantenberechnungen zusammensetzen.
Das ist ein wichtiger Punkt, muss aber sauber eingeordnet werden. Der Chip löst noch keine praktischen Industrieprobleme. Er zeigt zunächst, dass die Architektur grundsätzlich programmierbar ist und sich für komplexere Rechenabläufe nutzen lässt.
In den Testläufen kamen zwei für das Quantencomputing wichtige Verfahren zum Einsatz:
- Quanten-Fourier-Transformation (QFT): Sie hilft dabei, Muster in Quantenzuständen sichtbar zu machen. Das Verfahren spielt in vielen Quantenalgorithmen eine Rolle.
- Periodenbestimmung: Sie sucht nach wiederkehrenden mathematischen Strukturen. Das ist unter anderem relevant für Quantenalgorithmen, die kryptografisch wichtige Probleme wie Faktorisierung adressieren.
„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“, so Igor Kladaric, Doktorand in Chus Team und Mitautor der Publikation.
Damit zeigt die Arbeit: Der mechanische Speicher hält Zustände nicht nur passiv. Er lässt sich dynamisch in eine Rechenarchitektur einbinden, die anspruchsvollere Abläufe unterstützt.
Noch kein fertiger Quantencomputer
Der ETH-Chip ist ein Machbarkeitsnachweis. Er zeigt, dass mechanische Resonatoren als kompakte Speicherbausteine in Quantencomputern infrage kommen. Er zeigt auch, dass sich diese Speicher mit supraleitenden Qubits kombinieren lassen.
Bis zum kommerziellen Einsatz bleibt jedoch viel Entwicklungsarbeit. Die nächsten Schritte sind klar:
- Skalierung: Das System muss mit deutlich mehr Modi und Qubits zuverlässig arbeiten.
- Fehlerrate: Die Fehlerquoten müssen für größere Systeme weiter sinken.
- Auslesen: Die gespeicherten Zustände müssen noch präziser und zuverlässiger erfasst werden.
- Kopplung: Die Verbindung zwischen Qubit und Speicher muss auch in größeren Architekturen stabil funktionieren.
Für die Hardwareentwicklung ist die Arbeit vor allem deshalb relevant, weil sie den Blick auf die Systemarchitektur richtet. Es geht nicht nur darum, einzelne Qubits besser zu machen. Entscheidend ist, wie Rechnen, Speichern und Steuern in einem Quantencomputer zusammenspielen.
Die Zürcher Forschenden zeigen dafür einen konkreten Ansatz: Ein supraleitendes Qubit übernimmt die Rechenoperationen. Ein mechanischer Resonator speichert die Information. Die Daten liegen nicht als klassisches elektrisches Signal vor, sondern als kontrollierte Schwingung.
Der Quantencomputer spielt also keine Gitarre. Aber er nutzt ein ähnliches Prinzip: Unterschiedliche Schwingungen tragen unterschiedliche Information. Aus Sicht der Hardwareentwicklung könnten mechanische Resonatoren damit zu einem kompakten Speicherbaustein künftiger Quantenrechner werden.
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