Toffoli-Gatter mit eingeschlossenen Ionen realisiert

29. Jänner 2009, 15:56
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Innsbruckern gelingt Schritt auf dem Weg zum Quantencomputer

Innsbruch - Ein weiterer Schritt auf dem Weg zum Quantencomputer ist in Innsbruck gelungen: Wissenschafter des Instituts für Experimentalphysik der Uni Innsbruck und des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) um Rainer Blatt haben gleichsam einen neuen Grundbaustein verwirklicht, ein Rechengatter für komplexere Aufgabenstellungen aus drei Qubits. Die einzelnen Qubits waren Kalzium-Ionen, die in elektromagnetischen Fallen eingesperrt waren. Das Experiment wurde in der  Wissenschaftszeitschrift "Physical Review Letters" veröffentlicht.

Überlagerungen vervielfachen den Rechenraum

Dass man überhaupt die Entwicklung eines Quantencomputers anstrebt, liegt an grundlegenden Eigenschaften der kleinsten Teilchen. Die Zauberformel lautet: Überlagerung von Zuständen. Herkömmliche Computer kennen nur Ja/Nein bzw. 0 und 1. Quanten-Bits - oder Qubits - können auch mehr oder weniger beliebig viele Zustände zwischen 0 und 1 annehmen. Diese Überlagerungen vervielfachen den Rechenraum. Für spezielle Anwendungen - etwa Berechnungen der Quantenphysik selbst - sollte der Quantencomputer herkömmlichen Rechnern haushoch überlegen sein.

Quantenverschränkung

Ein Problem dabei ist, dass die Gesetze der Quantenwelt nur dann genutzt werden können, wenn die einzelnen Teilchen völlig ungestört sind, also nicht mit ihrer Umgebung in Wechselwirkung treten. Blatt und sein Team setzen dabei meist auf Ionen, die in elektromagnetischen Fallen eingeschlossen werden. Diese Ionen werden verschränkt, also in einen quantenmechanischen Zustand versetzt, indem sie wie über einen unsichtbaren Faden verbunden bleiben. Manipuliert man anschließend an einem der Teilchen, so hat dies Auswirkungen auf die anderen, ohne dass diese ihrerseits beobachtet werden müssen.

Um daraus einen Quantencomputer verwirklichen zu können, müssen sich Rechenoperationen in Form sogenannter Gatter ausführen lassen. Was im PC auf dem Schreibtisch Transistoren und Halbleiterelemente erledigen, wird im Quantenrechner alleine über die verschränkten Teilchen abgewickelt. Bisher gelangen den Physikern hauptsächlich einfache Gatter, etwa: "Wenn Eingangs-Qubit eins, dann auch Ausgang-Qubit eins."

Toffoli-Gatter

Nun konnte Blatts Team ein komplizierteres Gatter aus drei Ionen verwirklichen, ein sogenanntes Toffoli-Gatter. Das Ausgangs-Qubit wird dabei beispielsweise nur geschaltet, wenn die beiden Eingangs-Qubits den Wert eins annehmen. "Um ein Toffoli-Gatter auf konventionelle Weise zu realisieren, müssen sechs kontrollierte Schaltoperationen miteinander verknüpft werden. Im Vergleich dazu ist unser Toffoli-Gatter dreimal so schnell und weist zudem eine geringere Fehlerrate auf", erklärte dazu Blatts Mitarbeiter Thomas Monz. (APA)

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