Viele Wege führen zum Quantencomputer. Beim IBM-Forschungslabor in Yorktown Heights bei New York hat man den eingeschlagen, der am ehesten kompatibel mit konventioneller Halbleitertechnik scheint. Die Quantenchips, die Dr. Matthias Steffen und sein Team entwickeln, haben in etwa das Format heutiger Prozessoren. Doch statt Milliarden von Transistoren enthalten sie eine Handvoll supraleitender Metallringe.
Der Weg zum Quantencomputer sei zwar noch weit, erklärt der Leiter der Gruppe für Experimentelles Quantenrechnen, doch man habe jüngst sehr wichtige Fortschritte erzielt.
Gut zwei Zehntelmillimeter messen die von einer Isolatorschicht unterbrochenen Aluminiumringe auf dem Quantenchip von IBM. Bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt verlieren sie ihren Widerstand – und das hat bizarre Folgen. Der Strom kann dann sowohl im als auch gegen den Uhrzeigersinn in ihnen fließen. Und zwar gleichzeitig. Die Gesetze der Quantenwelt machen’s möglich. Quantenbits oder Qubits, so nennen Fachleute solche Sowohl-als-auch-Systeme. Für einen Quantencomputer, der konventionelle Elektronengehirne in den Schatten stellt, bräuchte man viele möglichst stabile Qubits, sagt Matthias Steffen.
"Die ersten supraleitenden Qubits im Jahr 1999 hatten Kohärenzzeiten von einer Milliardstel Sekunde. Die Kohärenzzeit verrät, wie lange ein Qubit in seinem Sowohl-als-auch-Zustand überlebt, bevor es durch die unvermeidliche Wechselwirkung mit seiner Umgebung so stark gestört wird, dass er zerfällt. Um mit Qubits rechnen zu können, muss die Kohärenzzeit so lange wie möglich sein. 1999 betrug sie eine Nanosekunde. Inzwischen erreichen wir in unserem Labor bis zu 100 Mikrosekunden. Wir sind also fast 100.000 mal besser geworden."
Beeindruckende Fortschritte, die es nun erlauben, den zweiten zentralen Baustein jedes Quantencomputers zu realisieren: Einen Mechanismus zur Fehlerkorrektur, bei dem zusätzliche Qubits jene Information wieder herstellen, die durch zerfallene Überlagerungszustände verloren ging.
"Ein Quantencomputer könnte Zahlen viel schneller in ihre Primfaktoren zerlegen, als klassische Superrechner. Und das ist sehr wichtig für die Entschlüsselung geheimer Botschaften. Praktisch alle sicheren Kommunikationsverbindungen heutzutage basieren darauf, dass der Rechenaufwand für die Primfaktorzerlegung großer Zahlen bei konventionellen Computern exponentiell wächst. Bei einem Quantencomputer dagegen wächst er viel langsamer. Um eine Zahl mit 1000 Stellen zu faktorisieren, bräuchte man wohl nur ein paar tausend perfekte Qubits. Weil es die nicht gibt, brauchen wir die Fehlerkorrektur. Dadurch erhöht sich die Zahl der benötigten Qubits noch einmal um das zehn- bis hundertfache, also auf zehn bis 100.000 Qubits. Aber damit hätte man dann wirklich einen echten Codeknacker."
Momentan beherbergt der IBM-Quantenchip allerdings erst drei Qubits. Mit Mikrowellenpulsen können die Forscher den Stromfluss in den Leiterschleifen so beeinflussen, dass das Qubit-Trio simple logische Operationen ausführt. Die Genauigkeit dieser Rechenoperationen beträgt derzeit 95 Prozent, immerhin 12 davon lassen sich schon auszuführen, bevor der fragile Überlagerungszustand zerfällt. Mit einer effizienten Fehlerkorrektur, wie sie Forscher der Universität Yale kürzlich demonstrierten, wäre dieses Limit aber passé – und der Weg frei für komplexere Berechnungen.
"In den vergangenen zehn Jahren haben alle Gruppen auf dem Gebiet daran gearbeitet, die Lebensdauer supraleitender Qubits zu steigern. Das war reine Grundlagenforschung. Doch nun sind vor allem die Ingenieure gefordert. Es geht jetzt darum, möglichst viele dieser ziemlich guten Qubits, die wir haben, auf einem Chip unterzubringen. Und IBM ist gut aufgestellt, um das zu schaffen und so die nächste Hürde beim Bau eines Quantencomputers zu nehmen. Es ist eine unglaublich faszinierende Zeit."
Der Weg zum Quantencomputer sei zwar noch weit, erklärt der Leiter der Gruppe für Experimentelles Quantenrechnen, doch man habe jüngst sehr wichtige Fortschritte erzielt.
Gut zwei Zehntelmillimeter messen die von einer Isolatorschicht unterbrochenen Aluminiumringe auf dem Quantenchip von IBM. Bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt verlieren sie ihren Widerstand – und das hat bizarre Folgen. Der Strom kann dann sowohl im als auch gegen den Uhrzeigersinn in ihnen fließen. Und zwar gleichzeitig. Die Gesetze der Quantenwelt machen’s möglich. Quantenbits oder Qubits, so nennen Fachleute solche Sowohl-als-auch-Systeme. Für einen Quantencomputer, der konventionelle Elektronengehirne in den Schatten stellt, bräuchte man viele möglichst stabile Qubits, sagt Matthias Steffen.
"Die ersten supraleitenden Qubits im Jahr 1999 hatten Kohärenzzeiten von einer Milliardstel Sekunde. Die Kohärenzzeit verrät, wie lange ein Qubit in seinem Sowohl-als-auch-Zustand überlebt, bevor es durch die unvermeidliche Wechselwirkung mit seiner Umgebung so stark gestört wird, dass er zerfällt. Um mit Qubits rechnen zu können, muss die Kohärenzzeit so lange wie möglich sein. 1999 betrug sie eine Nanosekunde. Inzwischen erreichen wir in unserem Labor bis zu 100 Mikrosekunden. Wir sind also fast 100.000 mal besser geworden."
Beeindruckende Fortschritte, die es nun erlauben, den zweiten zentralen Baustein jedes Quantencomputers zu realisieren: Einen Mechanismus zur Fehlerkorrektur, bei dem zusätzliche Qubits jene Information wieder herstellen, die durch zerfallene Überlagerungszustände verloren ging.
"Ein Quantencomputer könnte Zahlen viel schneller in ihre Primfaktoren zerlegen, als klassische Superrechner. Und das ist sehr wichtig für die Entschlüsselung geheimer Botschaften. Praktisch alle sicheren Kommunikationsverbindungen heutzutage basieren darauf, dass der Rechenaufwand für die Primfaktorzerlegung großer Zahlen bei konventionellen Computern exponentiell wächst. Bei einem Quantencomputer dagegen wächst er viel langsamer. Um eine Zahl mit 1000 Stellen zu faktorisieren, bräuchte man wohl nur ein paar tausend perfekte Qubits. Weil es die nicht gibt, brauchen wir die Fehlerkorrektur. Dadurch erhöht sich die Zahl der benötigten Qubits noch einmal um das zehn- bis hundertfache, also auf zehn bis 100.000 Qubits. Aber damit hätte man dann wirklich einen echten Codeknacker."
Momentan beherbergt der IBM-Quantenchip allerdings erst drei Qubits. Mit Mikrowellenpulsen können die Forscher den Stromfluss in den Leiterschleifen so beeinflussen, dass das Qubit-Trio simple logische Operationen ausführt. Die Genauigkeit dieser Rechenoperationen beträgt derzeit 95 Prozent, immerhin 12 davon lassen sich schon auszuführen, bevor der fragile Überlagerungszustand zerfällt. Mit einer effizienten Fehlerkorrektur, wie sie Forscher der Universität Yale kürzlich demonstrierten, wäre dieses Limit aber passé – und der Weg frei für komplexere Berechnungen.
"In den vergangenen zehn Jahren haben alle Gruppen auf dem Gebiet daran gearbeitet, die Lebensdauer supraleitender Qubits zu steigern. Das war reine Grundlagenforschung. Doch nun sind vor allem die Ingenieure gefordert. Es geht jetzt darum, möglichst viele dieser ziemlich guten Qubits, die wir haben, auf einem Chip unterzubringen. Und IBM ist gut aufgestellt, um das zu schaffen und so die nächste Hürde beim Bau eines Quantencomputers zu nehmen. Es ist eine unglaublich faszinierende Zeit."
