Wiener Forscher schlagen neues Konzept für Quantencomputer vor

10. August 2014, 17:53
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Neue Architektur aus winzigen Diamanten müsste über Milliarden einzelner Quantensysteme verfügen, sei aber geeigneter als bisherige Konzepte

Wien - Zur Realisierung eines Quantencomputers gibt es verschiedene Konzepte. Wiener Forscher haben nun eine neue Architektur vorgeschlagen, bei der ein Quantensystem auf in Diamanten eingeschlossenen Stickstoff-Atomen beruht. Im Fachjournal "Physical Review X" berichten sie, dass für einen stabilen Quantencomputer Milliarden solcher Quantensysteme notwendig wären. Der Weg dort hin sei zwar noch weit, aber nicht unmöglich.

Im Gegensatz zum Bit, der kleinsten Informationseinheit in der klassischen Informationstechnologie, die zwei Zustände (Ja/Nein oder 0/1) einnehmen kann, dienen beim Quantencomputer Quantenzustände als kleinste Einheit - genannt Quantenbit (Qubit). Weil dabei die Gesetze der Quantenwelt gelten, kann ein solcher Quantenzustand verschiedene Schwebezustände - die Wissenschafter sprechen von "Überlagerungszuständen" - zwischen zwei Möglichkeiten einnehmen. Mit mehreren Qubits könnte man deshalb bestimmte Probleme wesentlich schneller lösen als mit einem Digitalrechner.

Instabile Quantenüberlagerungen

Solche Überlagerungszustände lassen sich in unterschiedlichen Quantensystemen realisieren: etwa mit Ionen, die man in elektromagnetischen Fallen festhält oder mit supraleitenden Quanten-Bits. Jörg Schmiedmayer und sein Team vom Vienna Center für Quantum Science and Technology (VCQ) der Technischen Universität (TU) Wien haben nun gemeinsam mit japanischen Kollegen eine andere Architektur vorgeschlagen: In einem hauchdünnen Diamantplättchen wird an mehreren Stellen jeweils ein einzelnes Stickstoff-Atom eingebaut, dessen Spin verschiedene Zustände annehmen kann. Jedes Stickstoffatom wird in einem optischen Resonator, bestehend aus zwei Spiegeln, eingesperrt.

Jedes einzelne dieser Systeme aus Spiegeln, Diamant und eingebautem Stickstoff-Atom kann ein Quanten-Bit an Information tragen - also null, eins, oder eine beliebige Überlagerung davon. Doch ein solches Quanten-Bit ist extrem instabil. Damit die Information zuverlässig verarbeitet werden kann, braucht man spezielle Quantenfehlerkorrektur-Verfahren. Zum Speichern eines Qubits reicht dann nicht mehr ein solches Quantensystem, notwendig sei vielmehr eine komplizierte Architektur aus vielen miteinander verbundenen Systemen, erklärt Michael Trupke von der TU.

Rasante technische Evolution

Ein Einsatzgebiet für Quantencomputer ist die Primfaktorzerlegung sehr großer Zahlen etwa in der Kryptographie. Im Jahr 2001 hat IBM mit einem Quantencomputer mit sieben Qubits die Zahl 15 in die Faktoren 5 und 3 zerlegt. Schmiedmayer und sein Team haben nun berechnet, dass 4,5 Milliarden solcher aus Stickstoff-Atom, Diamant und zwei Spiegeln bestehende Quantensysteme notwendig wären, um eine Zahl mit 616 Stellen zu zerlegen.

Nach Angaben der Wissenschafter wäre die große Zahl an Quantensystemen bei allen Quantencomputer-Konzepten notwendig, egal ob Ionen, Quantenpunkte oder andere Architekturen verwendet werden. Ein Vorteil des neuen Konzepts sei aber, dass man im Prinzip wisse, wie man alles verkleinern, integrieren und vervielfachen kann, so Trupke. Er arbeitet mit seinen Kollegen an der TU bereits daran, eine kleine Version dieser Architektur experimentell herzustellen.

Die hohe Zahl notwendiger Quantensysteme entmutigt die Forscher jedenfalls nicht. Schmiedmayer erinnert an die Anfänge der Informationstechnologie: "Als man die ersten Transistoren herstellte, konnte man sich auch noch nicht vorstellen, wie es je gelingen könnte, Milliarden von ihnen auf einem Chip unterzubringen - und heute tragen wir solche Chips in der Hosentasche mit uns herum." (APA/red, derStandard.at, 10.8.2014)

  • Quanten-Operationen, die auf Stickstoffatomen in Diamant basieren, werden  an der TU Wien bereits durchgeführt. Weitere Experimente sind in  Vorbereitung.
    foto: tu wien

    Quanten-Operationen, die auf Stickstoffatomen in Diamant basieren, werden an der TU Wien bereits durchgeführt. Weitere Experimente sind in Vorbereitung.

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