Neuer Quantencomputer bricht erstmals binäre, in Kalziumatomen gespeicherte Informationen

Jahrzehntelang war Binärsystem die Grundlage für Computerberechnungen, aber wenn es um Quantencomputer geht, hält das Binärsystem sie davon ab, ihr wahres Potenzial auszuschöpfen. Kürzlich hat ein Team von Wissenschaftlern der Universität Innsbruck, Österreich, einen neuen Typ von Quantencomputern realisiert, der das binäre Berechnungsmodell erfolgreich durchbrach und sogenannte „Quantenzahlen“ zur Durchführung von Berechnungen verwendete, wodurch mehr Quantencomputer mit weniger Quanten freigesetzt wurden Teilchen. Viel Rechenleistung.

Forscher haben einen Quantencomputer entwickelt, der das volle Potenzial von Kalziumatomen ausnutzt, indem er Qubits für Berechnungen verwendet. Untersuchungen zeigen, dass die Verwendung von mehr Quantenzuständen im Gegensatz zum klassischen Rechnen die Zuverlässigkeit eines Computers nicht beeinträchtigt.

Wir alle wissen, dass Computer 0 und 1 – also binäre Informationen – verwenden, um Berechnungen durchzuführen. Dieses Modell war so erfolgreich, dass Computer mittlerweile alles antreiben, von Kaffeemaschinen bis hin zu selbstfahrenden Autos, und wir können uns ein Leben ohne sie kaum vorstellen.
Aufbauend auf diesem Erfolg sind heutige Quantencomputer auch auf die binäre Informationsverarbeitung ausgelegt. „Ein Quantencomputer besteht jedoch aus mehr als nur Nullen und Einsen“, erklärte der Experimentalphysiker Martin Ringbauer in einer Stellungnahme der Universität Innsbruck. „Die Beschränkung auf binäre Systeme verhindert, dass diese Geräte ihr wahres Potenzial entfalten.“

Quantenphysiker Martin Ringbauer im Labor.

Einem Team um Thomas Monz vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck ist es nun gelungen, einen Quantencomputer zu entwickeln, der beliebige Berechnungen mit sogenannten „Quantenzahlen“ (Qudits) durchführen kann, und zwar in weniger Zeit. Quantenteilchen setzen mehr Rechenleistung frei. Die Forschung wurde kürzlich in der Zeitschrift Nature Physics () veröffentlicht.

(Quantencomputer können beliebige Berechnungen mit sogenannten Quantenzahlen, oder Qubits, durchführen. Dadurch kann mehr Rechenleistung mit weniger Quantenteilchen freigesetzt werden. Qubits sind die Grundeinheiten in Quantencomputern und entsprechen im Quantencomputing zu Binärzahlen im klassischen Rechnen. Qubits bestehen aus Quantensystemen wie Elektronen oder Photonen. Aber es ist der einfachste Weg. Einfachheit bedeutet im Allgemeinen auch zuverlässig und robust gegenüber Fehlern, sodass binäre Informationen zum einwandfreien Standard für klassische Computer geworden sind.

Der Innsbrucker Quantencomputer speichert Informationen in einzelnen gefangenen Kalziumatomen, von denen jedes acht Zustände hat, sieben davon haben Wissenschaftler für Berechnungen genutzt.

In der Quantenwelt ist die Situation ganz anders. Im Innsbrucker Quantencomputer beispielsweise werden Informationen in einzelnen gefangenen Kalziumatomen gespeichert. Jedes dieser Atome hat von Natur aus acht verschiedene Zustände, von denen normalerweise nur zwei zum Speichern von Informationen verwendet werden. Tatsächlich können fast alle existierenden Quantencomputer viel mehr Quantenzustände erreichen, als sie für Berechnungen verwenden.

In Experimenten demonstrierten die Forscher einen universellen Qudit-Ionenfallen-Quantenprozessor (TIQP), der die native hierarchische Struktur der 40Ca+-Ionenfangkette nutzt. Experimente zeigen, dass jedes 40Ca+-Ion von Natur aus ein Qudit mit 8 Energieniveaus und einem stark verbundenen Hilbert-Raum unterstützt.

Energieniveaudiagramm von 40Ca+-Ionen. Quanteninformationen werden in den Zuständen S1/2 und D5/2 kodiert, wobei auf jeden Übergang zwischen S und D mit einem einzelnen Schmalbandlaser bei 729 nm zugegriffen werden kann.

Sehr natürliche Anwendung

Dieser neue Quantencomputer kann das volle Potenzial dieser Atome mithilfe von Qudits-Berechnungen ausschöpfen. Im Gegensatz zum klassischen Fall führt die Verwendung mehrerer Zustände nicht dazu, dass der Computer weniger zuverlässig ist. „Quantensysteme haben von Natur aus mehr als zwei Zustände, und wir haben bewiesen, dass wir sie gleichermaßen gut kontrollieren können“, sagte Thomas Monz.

Andererseits werden viele Aufgaben, die Quantencomputer erfordern, wie zum Beispiel Probleme in der Physik, Chemie oder den Materialwissenschaften, natürlich auch in der Sprache der Qudits ausgedrückt. Sie in Qubits umzuwandeln, ist für heutige Quantencomputer einfach zu komplex. „Die Verwendung von mehr als 0 und 1 ist nicht nur für Quantencomputer, sondern auch für deren Anwendungen ganz selbstverständlich und ermöglicht es uns, das wahre Potenzial von Quantensystemen auszuschöpfen“, erklärt Martin Ringbauer.

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