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Rechnen mit Quanten

Quantencomputer sollen einmal Rechnungen lösen, für die heutige Computer zu lange brauchen oder die sie gar nicht bewältigen können. Dazu gehören so genannte Optimierungsprobleme, zum Beispiel die Berechnung des kürzesten Weges, auf dem ein Kurierfahrer alle seine Pakete ausliefern kann. Quantencomputer könnten außerdem dazu dienen, Einträge in unsortierten Datenbänken rasch aufzuspüren oder sicherere Verschlüsselungsverfahren zu entwickeln. Zudem könnten Materialforscher mit ihrer Hilfe das komplexe Zusammenspiel von Vielteilchensystemen detaillierter simulieren und verstehen.
Möglich werden soll all dies durch die besonderen Gesetze der Quantenmechanik. Während herkömmliche Computer mit Bits, den Informationseinheiten „Null“ und „Eins“, rechnen, basieren Rechnerkonzepte für Qantencomputer auf der Verarbeitung sogenannter Quantenbits, kurz Qubits.

Qubits können die Zustände "Null" und "Eins" gleichzeitig annehmen. Sie bestehen gewissermaßen aus vielen sich überlagernden Zuständen, die für mehrere Rechenoperationen gleichzeitig genutzt werden können. Außerdem lassen sich Qubits miteinander koppeln oder "verschränken", so dass die Überlagerung sich auf mehrere Qubits ausweiten lässt und noch mehr Aufgaben parallel gelöst werden können.

Quantencomputer mit wenigen Qubits wurden erstmals zu Beginn dieses Jahrtausends realisiert. 2013 wurde der erste kommerzielle Quantencomputer der Welt verkauft. Alle bisherigen Quantencomputer sind jedoch nicht mehr als Machbarkeitsstudien – echte Probleme lassen sich mit ihnen noch nicht lösen. Hierzu sind Systeme aus weitaus mehr Qubits nötig.

Abbildung: Ein Standard-PC (oben) löst mit mehreren Vorgängen, bei denen Bits zwischen 0 und 1 umgeschaltet werden, einen einzigen Rechenschritt. Der Quantencomputer kann prinzipiell mit jedem Schaltvorgang sehr viele Rechenschritte auf einmal ausführen.
Copyright: Forschungszentrum Jülich

Spinbasierte Informationsverarbeitung mit Quantenpunkten

Qubits lassen sich auf verschiedenen Wegen realisieren. Als besonders vielversprechend gelten Quantenpunkte in Halbleitern, also Materialien, die bereits lange in Rechnern verwendet werden. Sie bilden einen Forschungsschwerpunkt der Jülicher Quanteninformations-Forschung. Quantenpunkte sind nanometerkleine, scheibenförmige Strukturen. Ihre Ausdehnung ist so gering, dass die Elektronen sich darin nicht mehr frei bewegen können und quantenmechanischen Regeln gehorchen. Der Drehimpuls der „eingesperrten“ Elektronen dient als Informationsträger. Dieser "Spin", der den Elektronen ihr magnetisches Moment verleiht, kommt in zwei Varianten vor: "up" und "down" oder "Null" und "Eins". Die Drehrichtung kodiert also die Information.

Quantenpunkte in Halbleitern

Prof. David DiVincenzo, Direktor am Peter Grünberg Institut und am Institute for Advanced Simulation sowie Institutsleiter an der RWTH Aachen erforscht mit seiner Arbeitsgruppe unter anderem, wie sich Informationen verlässlich mit Hilfe elektrischer oder magnetischer Felder in Quantenpunkte „einschreiben“ lassen. Die Herausforderung: Diese Verfahren benötigen viel Platz und sind ungenau. Weil jeder der Quantenpunkte physikalisch wie ein Ei dem anderen gleicht, passiert es leicht, dass die Felder ungewollt auch benachbarte Quantenpunkte beeinflussen. DiVincenzos Lösung: Qubits aus drei Quantenpunkten. Mit einem Elektronenspin pro Quantenpunkt lassen sich in einem solchen Qubit theoretisch acht unterscheidbare Zustände erzeugen.

Abbildung: Quantenpunkte in Halbleitern: Lithografisch strukturiertes Galliumarsenid mit mit einem elektrisch steuerbaren Qubit. Drei Quantenpunkte, durch kleine rote Kreise markiert, bilden das Qubit, das sich über Kontakte (unten auf der Abbildung) elektrisch steuern lässt. Der große rote Kreis gibt die Lage des Sensors an, der das Qubit auslesen kann.
Copyright: Forschungszentrum Jülich

Supraleitende Schaltkreise

Eine andere Form von Qubits, an denen Jülicher Wissenschaftler forschen, besteht aus ringförmigen supraleitenden Schaltkreisen. Die Informationseinheiten „Null“ und „Eins“ werden hier durch die Flussrichtung eines Stroms durch eine solche Schleife kodiert. Supraleitende Materialien werden bereits in vielen Geräten eingesetzt, etwa zum Bau ultrastarker Elektromagnete in Magnetresonanztomografen und Teilchenbeschleunigern. Für den Bau von Qubits sind sie interessant, weil sie nahezu verlustfrei arbeiten. Der Verlust von Energie macht Qubits instabil – sie verlieren die gespeicherte Information. Für den Energieverlust sind so genannte Quasipartikel verantwortlich, kollektive Anregungen mehrerer Teilchen, die sich in einigen Eigenschaften ihrerseits wie Teilchen verhalten.

Die Jülicher Forscher fanden in einer Kooperation mit der US-amerikanischen Universität Yale heraus, dass sich die Quasipartikel in magnetischen Wirbelfeldern einfangen lassen und damit Energieverluste vermieden werden können. Magnetische Felder werden von Supraleitern normalerweise verdrängt, aber in Form von Wirbeln können sie in das Material eindringen. Die Magnetwirbel fangen die Quasiteilchen ein, ähnlich wie ein auf der Oberfläche von Wasser treibendes Blatt in einen Wasserstrudel gesaugt wird. Die Qubits werden dadurch stabiler. ■

Forschung am Institut

Forschung am Peter Grünberg Institut – Theoretische Nanoelektronik (PGI-2 / IAS-3)

Prof. David DiVincenzo stellt sich und seine Forschung vor

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Interview

Ready to take off - Interview mit Prof. DiVinzenzo

Meldungen zu Quantencomputing

  • Speicherdauer von Qubits für Quantencomputer weiter verbessert (09.12.2016)
  • Millionen-Förderung für Quantencomputer (23.11.2016)
  • Auf dem Weg zum Quantencomputer: 50 Jahre alte Vorhersage zur verlustfreien Datenverarbeitung bestätigt (17.04.2014)
  • Elektrisch steuerbare Quantenbits realisiert (02.09.2013)
  • Zusatzinformationen

    Prof. David DiVincenzo

    Ready to take off: Interview mit Prof. David DiVincenzo

    Quantencomputer sind startklar. Das meint David DiVincenzo. Im Interview erläutert der Physiker, wozu sie dienen werden und inwieweit sie nützlich oder bedrohlich sind. zum Interview: Ready to take off: Interview mit Prof. David DiVincenzo …


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