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Gestatten, die Zukunft Quantencomputer ist reprogrammierbar

Es ist ein echter "Quantensprung" in der Informationstechnologie: Erstmals gelingt es Wissenschaftlern, einen Quantencomputer zu entwickeln, der reprogrammierbar ist. Ein wichtiger Schritt in Richtung einer neuen Generation von Supercomputern.

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Ionenfalle mit vier segmentierten Messerelektroden.

(Foto: Shantanu Debnath und Emily Edwards/Nature/dpa)

Erstmals kann ein Quantencomputer verschiedene Algorithmen ausführen und immer wieder neu programmiert werden. Damit hat die Forschungsgruppe um Shantanu Debnath von der University of Maryland in College Park ein wichtiges Problem dieser Technologie gelöst. Denn bisher konnten die meisten Quantencomputer nur eine oder wenige Arten von Rechenoperationen durchführen, die zudem durch die Bauweise festgelegt waren. Ihr Rechner mit fünf Quantenbits (Qubits) könne außerdem noch erweitert werden, schreiben die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift "Nature".

Effektive Quantencomputer gelten als große Herausforderung in der elektronischen Entwicklung. Sie sollen unter anderem die Suche in Datenbanken erheblich beschleunigen, komplexe Systeme simulieren und könnten wohl auch heutige Verschlüsselungstechnologien knacken. "Quantencomputer können bestimmte Probleme effizienter lösen als irgendein möglicher herkömmlicher Computer", schreiben Debnath und Kollegen. So könnten sie eine mathematische Berechnung in einem Schritt durchführen, für den heutige Computer mehrere Rechenoperationen benötigten. Bei klassischen Computern ist ein Bit entweder 0 oder 1. Ein Quantenbit kann aber beides zugleich sein und damit nicht nur zwei, sondern vier Werte darstellen.

Der "Prozessor" des neuen Quantencomputer-Moduls besteht aus fünf Ytterbium-Ionen, die in einem Magnetfeld in der Schwebe gehalten werden und somit gefangen sind. Das Element Ytterbium (Yb) zählt zu den Metallen der seltenen Erden. In dieser Ionenfalle lassen Laserimpulse die Ionen vibrieren und versetzen sie so in verschiedene Quantenzustände. Ein akustisch-optischer Modulator steuert den Laserimpuls über exakt einstellbare hohe Frequenzen. Auf diese Weise können beispielsweise zwei beliebige Ionen miteinander verschränkt werden, sie haben dann einen Quantenzustand gemeinsam. Die Quantenzustände der Ionen, die die Information enthalten, werden ausgelesen, indem ihr spontanes Aussenden von Licht (Fluoreszenz) registriert wird.

Bislang unerreichte Flexibilität

"Indem wir einen Algorithmus auf eine Reihe von Laserimpulsen reduzieren, die die entsprechenden Ionen anstoßen, können wir die Verdrahtung zwischen diesen Qubits von außen neu konfigurieren", wird Debnath in einer Mitteilung seiner Universität zitiert. Die Steuerung der Qubits werde dadurch nur noch zu einem Softwareproblem, "und keine andere Quantencomputer-Architektur hat diese Flexibilität". Zudem sind die Forscher zuversichtlich, dass ihr Rechner als Modul taugt, das vielfach neben- oder hintereinander geschaltet werden kann, um die Rechenkapazität zu erhöhen.

In einem "Nature"-Kommentar bezeichnet Stephen Bartlett von der University of Sydney die Forschungsergebnisse als "Meilenstein in der Quantendatenverarbeitung". Allerdings sei die verwendete Ionenfalle nur eine von mehreren technologischen Möglichkeiten, Quanteneffekte zu nutzen. Auch auf anderen Gebieten gebe es erhebliche Fortschritte, betont er, fügt aber hinzu: "Die nächste Herausforderung für alle diese Technologien ist zu zeigen, dass die Quanten-Fehlerkorrektur Fehlerraten erreichen kann, die vernachlässigbar sind." Denn obwohl Debnath und Kollegen für die grundlegenden Rechenoperationen eine Wiedergabegüte (fidelity) von 98 Prozent ermittelten, sank diese Zuverlässigkeit bei der Ausführung verschiedener Algorithmen auf 95, 90 und sogar 62 Prozent.

Quelle: n-tv.de, ali/dpa

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