Forscher stellen frei programmierbaren Quantenprozessor vor

Das Gerät mit zwei Qubits, dem Gegenstück zum klassischen Bit in der Quanteninformationstechnologie, wäre somit ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu zukünftigen Quantencomputern. In bisherigen Versuchen wurden einzelne Rechenaufgaben mittels Quantensystemen gelöst, so auch in einem Projekt unter Beteiligung der TU Wien. "Dies ist überhaupt das erste Mal, dass jemand einen programmierbaren Quantenprozessor mit mehr als einem Qubit zeigt", betont aber NIST-Forscher David Hanneke. Das Gerät könnte jedes für ein Zwei-Qubit-System erdenkliche Programm ausführen.

Der Quantenprozessor speichert Information in zwei Beryllium-Ionen, die mit UV-Lasern manipuliert werden. Die beiden Qubits können dabei nicht nur wie klassische Bits die Werte 0 und 1 speichern, sondern auch Überlagerungen dieser Werte. Außerdem können die beiden Qubits miteinander zu einem Gesamtsystem verschränkt werden. Erst dadurch eröffnet sich das volle Potenzial der Quanteninformationstechnologie.

Eben dieses Potenzial wird beim NIST-Prozessor laut Forschern auch voll ausgeschöpft. Sie haben eine zufällige Auswahl von 160 verschiedenen Operationen auf dem Quantengerät ausgeführt. Das Testset ist Hanneke zufolge aber groß und vielseitig genug, um die theoretisch unbegrenzte Zahl möglicher Programme gut wiederzugeben - also indirekt die universelle Programmierbarkeit nachzuweisen.

"Dies ist ein Schritt auf dem Weg zum großen Ziel, Berechnung mit großen Zahlen an Qubits durchzuführen", sagt Hanneke. Das Konzept sei, viele der Zwei-Qubit-Prozessoren zu nutzen und miteinander zu einem großen System zu verbinden. Der Weg ist freilich noch weit, denn für wirklich interessante Berechnungen etwa mit sehr großen Zahlen wären Quantencomputer mit tausenden verschränkten Qubits erforderlich.

Die NIST-Wissenschaftler haben ihre Ergebnisse im Journal Nature Physics vorab online veröffentlicht. In ihrem Beitrag gehen sie auch darauf ein, dass eine wesentliche Herausforderung in der Quantencomputerforschung sein wird, Fehler bei aufeinander folgenden Operationen mit vernünftigem Aufwand in angemessenen Grenzen zu halten. (pte/hal)