Theoretischer Durchbruch beim Quantencomputer

24. Oktober 2015, 12:00
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Innsbrucker Physiker schlagen neuartige Architektur vor

Wien/Innsbruck – Innsbrucker Physiker schlagen im Fachjournal "Science Advances" eine neuartige Computerarchitektur vor, die bestehende Einschränkungen in der Programmierbarkeit von Quantencomputern beseitigt und sie damit vielseitiger einsetzbar machen könnte.

Die Grundlagen

Die gezielte Erzeugung und Manipulation von Quantenbits (Qbits), den Grundbausteinen eines Quantencomputers, hat in den letzten Jahren beachtliche Fortschritte gemacht. In den Laboren der Physiker werden dazu verschiedenste Systeme, von supraleitenden Ringen bis zu einzelnen Atomen, auf ihre Tauglichkeit getestet. Sehr weit sind hier bereits die Innsbrucker Physiker um Rainer Blatt mit ihren in Magnetfallen gespeicherten Ionen gekommen – mit bis zu 14 verschränkten Ionen können sie mit ebenso vielen Qbits rechnen.

Der übliche Zugang zur Realisierung von Rechenoperationen läuft dann analog zu klassischen Computern: Die in den Quantenbits gespeicherten Informationen werden mithilfe logischer Schaltungen nach einem vorgegebenen Algorithmus verarbeitet. Aufgrund der quantenmechanischen Eigenschaften der Bits ist das Potenzial dieser Technologie enorm. Die Erfolge solcher digitalen Quantencomputer beschränken sich bisher allerdings auf die Lösung kleiner Probleme zu Demonstrationszwecken.

Adiabatische Quantencomputer

Wolfgang Lechner, Philipp Hauke und Peter Zoller vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) und dem Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck beschäftigen sich jedoch mit einem anderen Zugang: dem sogenannten adiabatischen Quantencomputer. Auf diesem Konzept basiert unter anderem der vor vier Jahren vom kanadischen Unternehmen D-Wave nach eigenen Angaben entwickelte erste kommerzielle Quantencomputer. Zwar sind dessen Leistungsfähigkeit und Funktionsweise unter Experten höchst umstritten – der Ansatz scheint dennoch großes Potenzial zu haben.

Adiabatische Quantencomputer sind speziell auf Optimierungsprobleme ausgelegt, wie etwa der Suche nach der kürzest möglichen Route durch eine bestimmte Anzahl verschiedener Orte. Im Gegensatz zu digitalen Quantencomputern verarbeiten sie die Informationen nicht schrittweise, sondern suchen einen gemeinsamen, optimalen Zustand von mehreren Quantenbits, die alle miteinander in Wechselwirkung stehen. Das "Programm" eines solchen Computers besteht also aus eben diesen Wechselwirkungen.

Möglicher Wendepunkt

Und genau an diesem Punkt haken die Innsbrucker Theoretiker ein. "Es ist experimentell sehr aufwendig, die einzelnen Quantenbits so miteinander zu verdrahten, dass sie ein spezielles Optimierungsproblem darstellen", sagt Lechner, der Hauptautor der Studie. "In der von uns vorgeschlagenen Architektur werden diese Verbindungen durch weitere Quantenbits ersetzt, die sich auf einfache Weise manipulieren lassen. Somit wird der Computer quasi frei programmierbar."

Die reale Umsetzung adiabatischer Quantencomputer steckt, genau wie bei ihren digitalen Pendants, noch in den Kinderschuhen. Den Forschen zufolge stehen wir heute in Hinblick auf die Quanteninformationsverarbeitung dennoch an einem ähnlichen Punkt wie vor 80 Jahren, als der Schritt von mechanischen Rechenmaschinen zu frei programmierbaren Computern das IT-Zeitalter eingeleitet hat. (APA, red, 24. 10. 2015)

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