Innsbrucker Physiker entwickeln Korrektur für Quantenrechner

28. Mai 2011, 17:55
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Physiker nutzen "spukhafte Fernwirkung" dreier Kalziumionen in einer Ionenfalle

Innsbruck - Es ist ein weiterer Baustein für die Entwicklung eines zukünftigen Quantencomputers: Erstmals ist es gelungen, Rechenfehler zu korrigieren, und zwar so, dass die Operation immer wieder durchgeführt werden kann. Das berichten Physiker um Rainer Blatt und Philipp Schindler von der Uni Innsbruck und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Akademie der Wissenschaften in der aktuellen Ausgabe von Science.

Wie jeder konventionelle Rechner ist auch der Quantencomputer vor Fehlern nicht gefeit. "Werden Daten abgespeichert oder übertragen, können Störungen die Informationen verfälschen oder löschen", so die Wissenschafter. Bei herkömmlichen Computern werden solche Fehler durch mehrfache Verarbeitung und Vergleiche korrigiert. Bei Quantencomputer sind derartige Manipulationen problematisch, da die Informationsträger - Quantenbits (oder Qubits) anstatt Bits - bei jeder Störung ihre Funktion einbüßen.

Quanteninformation können nicht kopiert

Auch eine Betrachtung zum Zwecke eines Vergleichs wäre eine solche Störung. "Die Schwierigkeit besteht darin, dass Quanteninformation grundsätzlich nicht kopiert werden kann", erklärte Schindler. "Wir können die Information also nicht mehrfach abspeichern und dann vergleichen."

Um dennoch eine Fehlerdetektion und -korrektur zu ermöglichen, setzten die Physiker einmal mehr auf das Phänomen der "spukhaften Fernwirkung", wie Albert Einstein sie nannte, also der quantenmechanischen Verschränkung. Dabei werden Quanten gleichsam über einen unsichtbaren Faden verbunden. Betrachtet man eines der verschränkten Teilchen, kennt man auch den Zustand der anderen, ohne diese analysieren zu müssen.

Drei Kalziumionen in der Ionenfalle

Die Wissenschafter sperrten in ihrem Experiment drei Kalziumionen in eine Ionenfalle. "Alle drei Teilchen werden als Quantenbit verwendet, wobei ein Ion als Informationsträger, die anderen beiden als Hilfsqubits dienen", präzisierten die Forscher. Dann verschränkten sie zunächst das erste Qubit mit den beiden Hilfsbits und übertrugen so die Quanteninformation auf alle drei Teilchen.

Ein Quantenalgorithmus, also ein Rechenablauf, stellt dann fest, ob es einen Fehler gibt. Wenn ja, wird dieser sogar selbsttätig korrigiert. Nach der Korrektur werden die Hilfsbits durch optisches Pumpen mit Hilfe eines Laserstrahls wieder zurückgesetzt. "Dies ist das eigentlich neue Element in unserem Experiment, das die wiederholte Fehlerkorrektur erst möglich macht", so Blatt. (red/APA/DER STANDARD, Printausgabe, 27.05.2011)

  • Blick in eine Ionenfalle: Für ihre Quantenrechner-Korrekturmethode sperrten die Wissenschafter drei Kalziumionen ein und  verschränkten sie miteinander.
    foto: universität innsbruck/c. lackner

    Blick in eine Ionenfalle: Für ihre Quantenrechner-Korrekturmethode sperrten die Wissenschafter drei Kalziumionen ein und verschränkten sie miteinander.

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