Rechnen mit Qubits

Fünf Kriterien für einen Quantenrechner

| Autor / Redakteur: Dr. Anna-Lena Gutberlet / Andreas Donner

Prof. David DiVincenzo gilt als Pionier im Bereich Quanteninformation. Mit seinem Namen ist unter anderem die Entwicklung von Kriterien verbunden, die ein Quantencomputer erfüllen muss, die so genannten „DiVincenco criteria“.
Prof. David DiVincenzo gilt als Pionier im Bereich Quanteninformation. Mit seinem Namen ist unter anderem die Entwicklung von Kriterien verbunden, die ein Quantencomputer erfüllen muss, die so genannten „DiVincenco criteria“. (Bild: Forschungszentrum Jülich)

Das Rennen um den ersten Quantencomputer ist längst angelaufen. Mit dabei sind natürlich Größen wie Microsoft, Google oder IBM sowie zahlreiche Universitäten und Forschungseinrichtungen. Es gibt eine Vielzahl an Ansätzen, dieses Ziel zu verwirklichen.

Quantensysteme können beispielsweise durch Photonen, Ionen oder Moleküle realisiert werden. Mithilfe integrierter Bauteile wie Atom- und Ionenfallen, Wellenleitern oder optomechanischen Elementen werden einzelne Quantensysteme kontrolliert.

Ein Pionier in der Quanteninformation ist David DiVincenzo, Professor für Theoretische Physik an der RWTH Aachen. 1996 hat er, als er noch am Thomas Watson Research Center von IBM tätig war, 5 Kriterien zusammengefasst, die ein Quantencomputer erfüllen muss (die sog. DiVincenzo-Kriterien):

  • 1. Das System besteht aus einem skalierbaren System gut charakterisierter Qubits.
  • 2. Es muss möglich sein, die Qubits in einen definierten Anfangszustand zu versetzten
  • 3. Ein universelles Set elementarer Quantengatter kann ausgeführt werden.
  • 4. Einzelne Qubits (zumindest eines) können gemessen werden.
  • 5. Die Kohärenzzeit des Systems ist wesentlich länger als die Operationszeit eines Gatters.

Alle fünf Anforderungen seien heute bereits qualitativ erfüllt. Es gebe sogar einige physikalische Verkörperungen von Qubits, die alle fünf Kriterien gleichzeitig erfüllen, z.B. Ionenfallen, supraleitende Qubits oder Elektronen in Quantendots.

Quanten-Computing mit Licht, Ionen und Supraleitern

Aufgrund ihrer Vorzüge sind auf Photonen basierende Qubtis vielversprechende Kandidaten für die Realisierung eines Quantencomputers. Verschränkte Photonen sind schnell, sehr stabil und besitzen eine lange Kohärenzzeit. Die Qubits werden häufig durch die Polarisation der Photonen realisiert, welche sich leicht mit optischen Elementen (z.B. Wellenplatten) einstellen lässt. Die Schwingungsrichtungen des elektromagnetischen Feldes, horizontal und vertikal, entsprechen den Zuständen 0 und 1 des Qubits, natürlich ist auch jede Überlagerung dieser Zustände möglich.

Andere Möglichkeiten, um Qubits zu implementierten sind zum Beispiel die Anzahl der Photonen, ihr Weg oder ihre Ankunftszeit. Ein weiterer Vorteil: Informations­verarbeitung und Datenübertragung über Glasfasern ließen sich gut verbinden. Nach dem heutigen Stand der Technik, sind verschränkende Operationen zwischen mehreren Qubits mit hoher Güte durchzuführen. Die Komplexität der realisierbaren Schaltkreise ist dennoch limitiert. Ein Grund hierfür ist, dass Photonen kaum mit ihrer Umgebung wechselwirken: Dadurch wird eine aufwendige Isolierung zwar unnötig, es ist aber schwierig, verschiedene Qubits miteinander zu koppeln, was für Berechnungen auf einem Quantencomputer nötig ist. Eine weitere Herausforderung für die Zukunft ist die Realisierung von Speichermöglichkeiten für photonische Qubits.

Einem internationalen Forscherteam unter Führung der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster und des Karlsruher Instituts für Technologie ist es erstmals gelungen, einen vollständigen quantenoptischen Aufbau auf einem Chip zu platzieren. Dazu verwendeten sie Kohlenstoff-Nanoröhren als Einzelphotonenquellen, supraleitende Nanodrähte als Detektoren sowie nanophotonische Wellenleiter. Jeweils eine Einzelphotonenquelle und zwei Detektoren wurden mit einem Wellenleiter verbunden. Der Aufbau wurde mit flüssigem Helium gekühlt, um einzelne Lichtquanten zählen zu können. Die Arbeit der Wissenschaftler ist allerdings Grundlagenforschung. In den kommenden Jahren sind wichtige Herausforderungen, wie bessere Quellen, Detektoren und Speichermöglichkeiten zu meistern, bevor komplexe Schaltkreise aus vielen Qubits realisiert werden können.

Eine weitere Möglichkeit, einen Quantencomputer experimentell umzusetzen, ist die Nutzung von Ionen, die in einer so genannten Ionenfalle mithilfe von elektrischen Feldern im Vakuum festgehalten werden – hierfür sind extrem tiefe Temperaturen nötig, damit die Eigenbewegung irrelevant wird. Hinzu kommt, dass das System extrem anfällig für Störungen, wie kleinste Vibrationen, ist. Das Quantenregister besteht hier aus einer Kette von Ionen.

Aus der Vielzahl von Zuständen, die ein solches Ion annehmen kann, wählt man nur zwei ganz bestimmte Niveaus aus. Die übrigen Energieniveaus sollen unbesetzt bleiben, was aber durch Störungen nicht immer garantiert werden kann. Verschränkt werden die Ionen mithilfe eines Lasers. Der Rekord liegt derzeit bei 14 Ionen – auch was Güte und Vielfalt an Ionenfallen möglichen Quanten-Operationen betrifft, liegen diese Systeme weit vorn. Mit ihren langen Kohärenzzeiten eignen sich ionische Zwei-Niveau-Systeme als robuste Quantenspeicher und die Verfügbarkeit eines universellen Satzes von Quantengattern machen sie zu einem vielversprechenden Kandidaten für Quantenrechner. Problematisch ist jedoch noch, dass fluktuierende elektromagnetische Felder und spontaner Zerfall zu Dekohärenz frühen können. Und genau wie beim Ansatz mit Photonen macht die Skalierbarkeit des Systems noch Probleme.

Über 2000 Qubits auf einem Microchip: D-Wave Systems will den ersten praxistauglichen Quantencomputer entwickelt haben. Dass es sich hierbei um einen "echten" Quantencomputer handelt, wird jedoch angezweifelt.
Über 2000 Qubits auf einem Microchip: D-Wave Systems will den ersten praxistauglichen Quantencomputer entwickelt haben. Dass es sich hierbei um einen "echten" Quantencomputer handelt, wird jedoch angezweifelt. (Bild: D-Wave Systems Inc.)

Das Problem der Skalierbarkeit will D-Wave Systems, ein Unternehmen aus Kanada, gelöst haben. Das Unternehmen behauptet von sich, den weltweit ersten praxistauglichen Quantencomputer entwickelt zu haben. Dieser arbeitet mit supraleitenden Qubits: Bei 15 Millikelvin kann der Strom in den Leiterschlaufen ohne elektrischen Widerstand links- (Bit = 1) und rechts- (Bit = 0) herum fließen. Im Quantenzustand fließt der Strom links- und rechtsherum gleichzeitig. Das System 2000Q soll bis zu 2048 Qubits besitzen die über 5600 Koppler verbunden sind.

Dass es sich bei dabei um einen „echten“ Quantencomputer handelt, wird jedoch stark kritisiert. Einer der Kritiker ist Professor David DiVincenzo. Auch wenn der Rechner gewisse Eigenschaften eines Quantencomputer besitzt, würde DiVincenzo ihn nicht als solchen bezeichnen. Probleme bereitet hauptsächlich das fünfte seiner Kriterien: die Kohärenzzeit. Bei D-Wave können sich die Qubits nur für Nanosekunden in einem Zwischenzustand zwischen 0 und 1 befinden – zu kurz, um komplexe Aufgaben effizienter zu lösen als herkömmliche Computer.

Auch IBM arbeitet mit supraleitenden Qubits, diese werden mit Mikrowellen manipuliert und können vergleichsweise einfach konstruiert und skaliert werden. Die erst kürzlich vorgestellten Systeme besitzen 16 bzw. 17 Qubits. Ziel von IBM ist es, in den nächsten Jahren einen Rechner mit 50 Qubits zu verwirklichen – dieser könnte mit heutigen Supercomputern konkurrieren.

Der Quantencomputer macht Fehler – aber kann mit ihnen Leben

Mit steigender Anzahl an Qubits steigt die Leistungsfähigkeit des Rechners. Das Besondere: Diese steigt nicht linear an, sondern verdoppelt sich mit jedem zusätzlichen Qubit. Die Leistungsfähigkeit des Quantencomputers wird auch Quantenvolumen genannt und hängt zusätzlich davon ab, wie die Qubits miteinander verbunden sind und wie groß die Fehlerrate beim Auslesen und Manipulieren der einzelnen Qubits ist. Mit der Größe des Quantenregisters steigt zudem die Dekohärenz.

Aber: Quantencomputer können mit diesen Fehlern leben, solange die Zahl der Fehler, die pro Sekunde und pro Quantengatter anfallen, unter einer bestimmten Schwelle bleibt. Die Fehlertoleranzschwelle wird von Experten auf unter 1 % geschätzt und sei unabhängig von der Größe des Quantencomputers. Die Quantenrechner müssen also nur so weit verbessert werden, dass eine automatische Fehlerkorrektur den Rest der Fehler korrigieren kann. Allerdings ist je Qubits ein Fehler-Qubit nötig, wodurch höhere Speicherkapazitäten nötig sind als gedacht.

Die Kontrolle über Qubits gelingt immer besser. Laut DiVincenco wachsen auch die Kohärenzzeiten immer schneller. Der Anstieg sei vergleichbar mit dem Moore‘schen Gesetz. Parallel findet eine Miniaturisierung statt: Es gelingt, Qubits auf Mikrochips unterzubringen. So können Quanten-Computer mit ähnlichen Techniken wie heutige Computerchips gefertigt werden. Diese Entwicklungen könnten mittelfristig zu einem Durchbruch führen – der von Experten in den kommenden 10 bis 20 Jahren erwartet wird.

Literatur

http://www.spiegel.de/wissenschaft/technik/physik-nobelpreis-2012-fuer-haroche-und-wineland-a-860260.html
www.wikipedia.org
www.golem.de
Perspektiven der Quantentechnologie, Stellungnahme der Nationalen Akademie der Wissenschaften Leopoldina, Acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und Union der deutschen Akademien der Wissenschaften, Juni 2015 https://www.leopoldina.org/uploads/tx_leopublication/2015_Quantentechnologien_LF_DE_korr.pdf
https://www.physik.uni-kl.de/fileadmin/widera/Hauptseminar_WS10_11/Ionenfallen.pdf
http://www.deutschlandfunk.de/glasfasernetz-wird-umgeruestet-das-quanten-internet-kommt.684.de.html?dram:article_id=387203
http://www.heute.de/bundesregierung-legt-forschungsprogramm-fuer-abhoersichere-quanten-internet-auf-47326454.html
www.quantencomputer.de

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Dieser Beitrag stammt von unserer Schwesterpublikation ELEKTRONIKPRAXIS.

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