Neue Architektur für Quantencomputer

In einer im Fachmagazin Nature veröffentlichten Studie wurde eine völlig neue Architektur für Quantencomputer vorgeschlagen. Ein Teil der Mittel für diese Forschungsarbeit kam aus zwei EU-finanzierten Projekten: MICROTRAP ("Development of a pan-European Microtrap Technology ca...

In einer im Fachmagazin Nature veröffentlichten Studie wurde eine völlig neue Architektur für Quantencomputer vorgeschlagen. Ein Teil der Mittel für diese Forschungsarbeit kam aus zwei EU-finanzierten Projekten: MICROTRAP ("Development of a pan-European Microtrap Technology capability for Trapped Ion Quantum Information Science") und SCALA ("Scalable quantum computing with light and atoms"). MICROTRAP und SCALA wurden innerhalb des Themenbereichs "Technologien für die Informationsgesellschaft" (IST) des Sechsten Rahmenprogramms (RP6) mit 1,77 Mio. EUR bzw. 9,36 Mio. EUR finanziert.

Vor sechs Jahren realisierten Wissenschaftler an der Universität Innsbruck in Österreich das erste Quantenbyte - einen Quantencomputer mit acht Recheneinheiten.

Ein Rekord, der immer noch besteht: "Um aber mit einem Quantencomputer richtig rechnen zu können, benötigen wir wesentlich mehr Quantenbits", kommentiert Professor Rainer Blatt vom universitätseigenen Institut für Experimentalphysik. Er war es auch, der gemeinsam mit seinem Forscherteam dieses erste Quantenbyte in einer elektromagnetischen Ionenfalle herstellte. Professor Blatt zufolge "können in diesen Fallen jedoch nicht beliebig viele Ionen aneinandergereiht und gleichzeitig kontrolliert werden."

Zur Lösung dieses Problems sind die Forscher nun dazu übergegangen, den Quantencomputer als System von vielen kleinen Registern zu konzipieren, die miteinander verbunden werden müssen. Die Quantenphysiker entwickelten einen revolutionären Ansatz, der auf einer Idee der theoretischen Physiker Ignacio Cirac und Peter Zoller basiert. Diese beiden auf den Gebieten kalter Atome, Quantenoptik und Quanteninformationstheorie führenden Wissenschaftler befassten sich im Kern ihrer Forschungsarbeit mit der Anwendung der mikroskopischen Welt zum Bau von Quantencomputern und auf Quanten basierenden Kommunikationssystemen.

In ihrem Laborexperiment konnten die Physiker zwei Gruppen von Ionen über eine Entfernung von rund 50 Mikrometern elektromagnetisch koppeln, wobei die Bewegung der Teilchen als Antenne dient.

"Die Teilchen schwingen wie Elektronen in den Stäben einer Fernsehantenne und erzeugen auf diese Weise ein elektromagnetisches Feld", erläutert Professor Blatt. "Wenn die Antennen aufeinander abgestimmt sind, nimmt der Empfänger das Signal des Senders auf und im Ergebnis des Ganzen entsteht eine Kopplung."

Der dabei stattfindende Energieaustausch könnte dem Team zufolge die Basis für elementare Rechenoperationen eines Quantencomputers sein.

"Wir haben diese Idee zunächst auf sehr einfache Weise umgesetzt", wie Professor Blatt erzählt. In einer miniaturisierten Ionenfalle wird ein wellenförmiges Potential eingerichtet, in dem die Kalziumionen gefangen sind. Die beiden Wellentäler liegen 54 Mikrometer auseinander. "Durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden der Ionenfalle können wir die Schwingungsfrequenzen der Ionen aneinander anpassen", fügt Blatt hinzu. "Dabei kommt es zu einem Kopplungsprozess und zum Energieaustausch, über den wir Quanteninformationen übertragen können."

Nie zuvor konnte eine direkte Kopplung von zwei mechanischen Schwingungen auf Quantenebene demonstriert werden.

Die Wissenschaftler zeigen in dem Experiment außerdem, dass die Kopplung stärker wird, je mehr Ionen in den beiden Gruppen vorhanden sind. "Diese zusätzlichen Ionen wirken wie Antennen und erhöhen Reichweite und Geschwindigkeit der Übertragung", lobt Professor Blatt das neue Konzept enthusiastisch. Es stellt einen vielversprechenden Ansatz für den Bau eines voll funktionsfähigen Quantencomputers dar.

"Diese neue Technologie bietet uns die Möglichkeit zur Verschränkung mittels Kommunikation. Gleichzeitig können wir jede Speicherzelle einzeln ansprechen", fügt er Forscher hinzu. Der neue Quantencomputer könnte auf einem Chip mit vielen Mikrofallen basieren, in denen Ionen mittels elektromagnetischer Kopplung miteinander kommunizieren. Dieser Ansatz wäre ein weiterer wichtiger Schritt auf dem Weg zu alltagstauglichen Quantentechnologien für die Informationsverarbeitung, betont das Team abschließend.Für weitere Informationen: Universität Innsbruck http://www.uibk.ac.at/ Nature http://www.nature.com/

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Österreich