Mögliche Lösung für Kommunikations-Probleme zwischen Qubits

16. Juni 2010, 18:50
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Österreichischer Physiker in Harvard legt Konzept für Daten-Bus basierend auf nanomechanischen Resonatoren vor

Wien - Die Quantencomputer der Zukunft werden unterschiedliche Aufgaben wie Rechnen oder Speichern vermutlich auf verschiedene physikalische Systeme verteilt sein: Atome eignen sich etwa als langlebige Quantenspeicher, Photonen dagegen gut für die Übertragung von Informationen über lange Distanzen. Die Verbindung dieser verschiedenen Systeme in der empfindlichen Quantenwelt stellt die Wissenschaft allerdings noch vor Probleme.

Der derzeit an der Harvard University tätige österreichische Physiker Peter Rabl hat nun ein Konzept entwickelt, wie die Kommunikation zwischen Quantensystemen aus dem Bereich der Festkörperphysik funktionieren könnte. Die Arbeit wurde kürzlich in der Wissenschaftszeitschrift Nature veröffentlicht.

Mit 32 Qubits vier Milliarden parallele Operationen

Grundlage aller Systeme in einem Quantencomputer sind die Quantenbits (Qubits) - analog den klassischen Bits beim herkömmlichen Computer. Der entscheidende Unterschied ist, dass das klassische Bit nur die Zustände 0 und 1 einnehmen kann, ein Qubit dagegen auch alle Werte dazwischen, was "Überlagerungszustand" genannt wird. Zwei Qubits können damit gleichzeitig die vier Zustände 00, 01, 10 und 11 haben. Dadurch kann im Quantencomputer jede Rechenoperation in allen Zuständen gleichzeitig ablaufen, bei 32 Qubits wären das etwa vier Milliarden parallele Operationen.

Es gibt derzeit schon "einen ganzen Zoo von verschiedenen Möglichkeiten, solche Quantenbits zu bauen", erklärte der an Rabls Arbeit beteiligte Theoretische Physiker Peter Zoller vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Akademie der Wissenschaften (ÖAW). Beispiele sind etwa Ionen in Ionenfallen, winzige Defekte in Festkörper-Strukturen wie Diamanten, in Nanostrukturen "eingesperrte" Elektronen (Quantenpunkte) oder bestimmte Zustände von Photonen.

Elektronen-Spin als möglicher Träger

Ein möglicher Träger für Qubits ist der Spin - quasi die Eigendrehung - von Elektronen von Störstellen-Atomen in Festkörpern wie Diamant. Dieser Spin, der im Fokus von Rabls Arbeit steht, nimmt üblicherweise nur zwei Richtungen (nach oben oder unten) ein, was den klassischen Zuständen 0 und 1 entspricht. Als Qubit können diese Zustände auch überlagert sein. Vorteil des Spins ist sein nur kleines magnetisches Moment. Damit kommt es kaum zur Wechselwirkung mit der Umgebung, eine darin gespeicherte Quanteninformation bleibt lange erhalten.

Nachteil dieser geringen Wechselwirkung ist allerdings die schwierige "Kommunikation" zwischen derart konstruierten Qubits bzw. mit anderen Quantensystemen. "So müssten die Spins in einer Distanz von nur zehn Nanometer (ein Nanometer ist der Millionste Teil eines Millimeters) platziert werden, um eine brauchbare Wechselwirkung zwischen zwei Qubits zu erreichen", erklärte Rabl.

Weil der Austausch von Quanteninformationen, ohne dabei die empfindliche Quantenwelt etwa durch eine Messung zu stören, als essenziell auf dem Weg zum Quantencomputer gilt, suchen weltweit Wissenschafter nach Möglichkeiten dafür. Rabl, der bereits 2007 für neue theoretische Ansätze zum Austausch von Quanteninformation zwischen Atomen und supraleitenden Nanostrukturen mit dem Ludwig-Boltzmann-Preis der Österreichischen Physikalischen Gesellschaft geehrt wurde, hat nun ein Konzept für eine Art Daten-Bus entwickelt, der vor allem die Kommunikation zwischen Spin-Qubits in Festkörper-Strukturen ermöglichen soll.

Nanomechanische Resonatoren

Dieses System zur Datenübertragung basiert auf sogenannten nanomechanischen Resonatoren. Das sind längliche Plättchen mit nur einigen 100 Nanometern bis einigen Mikrometern Größe. An deren Ende sitzt eine magnetische Spitze, die direkt über ein Spin-Qubit platziert wird. Je nach Zustand des Spins wird das Ende des Resonators nach oben oder unten ausgelenkt. Befindet sich der Spin in einem Überlagerungszustand (also zwischen 0 und 1), ist auch der Resonator in einem solchen.

Koppelt man mehrere solcher Plättchen - die Klaviertasten-ähnliche Anordnung hat Zoller zu dem Vergleich "Quantenpiano" gebracht - und legt an sie eine elektrische Spannung, wird die spin-abhängige Auslenkung eines Resonators an die anderen Resonatoren "weitergegeben", was zu einer Wechselwirkung, also "Kommunikation" zwischen den Qubits führt. "Das funktioniert wie Lego-Blöcke, mit denen man auch Quantenprozessoren mit verschiedenen Qubits miteinander verkoppeln kann", so Zoller.

Noch sei dies eine rein theoretische Arbeit. "Doch es sind schon viele Experimentatoren fleißig dran, zu schauen, ob man das nicht in die Praxis umsetzen kann", so Zoller. (red/APA)

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