Stabilisierter Qubit-Durchbruch bringt Quantencomputer näher

Zentrale Voraussetzung für diese Leistungsfähigkeit sind Quantenbits oder Qubits, die sich in Zuständen von 0, 1 oder einer Kombination beider Zustände befinden können, was als Superposition bezeichnet wird. Zudem nutzen Quantencomputer Quantengatter, die es ermöglichen, Qubits zwischen diesen Zuständen zu verschieben und Berechnungen parallel auszuführen.

Ein solches Gatter, das für den Quantenbetrieb, ist das Swap-Gatter, das zwei Qubits ermöglicht, ihre Quantenzustände auszutauschen. Was macht Gatter unzuverlässig?

Um zu funktionieren, nutzen Swap-Gatter den Tunneleffekt, bei dem Teilchen Hindernisse auf Arten überwinden können, die der klassischen Physik unverständlich sind, während Quantencomputer zudem hochangeregte elektronische Zustände hängt ärke und Einstellbarkeit, die die Atome suspendieren, aus denen Qubits bestehen.

Jede Schwankung in der Timing-

Jede Schwankung in der Timing- oder Intensität der Laser führt zu Fehlern im System und macht diese Gatter unzuverlässig.

Während Fehler bei konventionellen Bits oft als ein in einer Billion betrachtet werden, sind sie bei Qubits häufiger, mit einer Rate dies zu überwinden, haben Forscher am ETH Zurich einen subtileren Effekt namens geometrische Phase genutzt, der den Weg nutzt, den Atome durch ein künstliches „Lichtkristall" zurücklegen, das aus sich kreuzenden Laserstrahlen aufgebaut ist. „Laserlicht ist nichts anderes als monochromatische elektromagnetische Strahlung", sagte Yann Hendrick Kiefer, Postdoktorand am Institut für Quantenelektronik des ETH Zurich, einem großen Wissenschaftsportal. „Wenn ein neutrales Atom in dieses elektrische Feld gebracht wird, entsteht ein Dipolmoment, das eine Kraft bewirkt, die es ermöglicht, Atome an Ort und Stelle zu halten." Quanten-Swap auf Basis der Geometrie Wenn zwei in einer solchen Anordnung gefangene Kaliumatome so nahe aneinandergebracht werden, dass sich ihre Quantenwellen überlappen, ändert sich ihr gemeinsamer Zustand in Abhängigkeit das Ergebnis nicht mehr oder der Leistung der Laser abhängt, sondern vom gesamten Pfad, den das System durchläuft, ist es weniger anfällig für äußere Störungen und damit stabiler.

Die Überlegenheit dieses Ansatzes wurde vom Forschungsteam in einem System mit 17.000 Qubit-Paaren demonstriert. Die Forscher erreichten mit ihren Swap-Gattern eine Präzision von 99,1 Prozent, wobei diese innerhalb (einem Tausendstel einer Sekunde) arbeiteten.

Zudem gelang es den Forschern, sogenannte

Zudem gelang es den Forschern, sogenannte „Halb-Swap"-Gatter zu realisieren, die Qubits nur teilweise statt vollständig austauschen, und die für die Ausführung echter Quantenalgorithme. Während ein vollständiger Swap Informationen lediglich umsortiert, kann ein halber Swap nicht nur Informationen austauschen, sondern auch Korrelationen zwischen Qubits erzeugen – etwas, das klassische Bits nicht können.

Kiefer ist optimistisch, dass ihr Ansatz dazu beitragen könnte, Probleme wie Shors Algorithmus mit nur 10.000 Qubits zu lösen, statt der zuvor wenn ein solcher Quanten-Supercomputer in absehbarer Zeit nicht einsatzbereit sein wird, bringt die Forschung uns einen Schritt näher an diese Realität heran. Die Forschungsergebnisse wurden in Nature veröffentlicht.