IBM vermeldet einen Durchbruch auf dem Weg zum Bau eines Quantencomputers: IBM-Forscher konnten die Leistung wesentlicher Bauteile von Quantencomputern so weit verbessern, dass es fast möglich ist, einen praktisch nutzbaren Quantencomputer in nennenswerter Größe zu bauen.Gute Entwicklungen! Um das Thema mal wieder aktuell aufflackern zu lassen.
Die Forscher in den IBM Labs haben einige dort entwickelte Technologien kombiniert und drei wesentliche Fortschritte auf dem Weg zum Bau eines Quantencomputers erzielt. Es gelang ihnen, die Zahl der Fehler bei elementaren Berechnungen so weit zu reduzieren, dass Fehlerkorrekturverfahren effektiv eingesetzt werden können. Zudem konnten sie die Integrität der quantenmechanischen Eigenschaften von Qubits deutlich steigern.
Video: IBM auf dem Weg zum Quantencomputer (4:45)
Während ein Bit in klassischen Computern nur zwei Zustände haben kann - 0 oder 1 -, können Qubits diese beiden Werte auch gleichzeitig enthalten, was in der Quantentheorie als Superposition beschrieben wird. Qubits, als kleinste Informationseinheit in einem Quantencomputer, ermöglichen es so, mehrere Millionen Berechnungen parallel auszuführen. Herkömmliche Computer können nur eine kleine Zahl von Berechnungen gleichzeitig abwickeln. So enthält laut IBM ein Quantencomputer mit 250 Qubits mehr Bits an Information, als es Atome im Universum gibt.
Diese Eigenschaften haben große Auswirkungen für Verschlüsselungstechniken, die in erster Linie darauf basieren, dass es mit herkömmlicher Technik sehr aufwendig ist, sehr große Zahlen in ihre Faktoren zu zerlegen. Quantencomputer können dies deutlich schneller erledigen. Aber auch bei Datenbanken unstrukturierter Informationen und Optimierungsaufgaben sehen die IBM-Forscher Einsatzgebiete für Quantencomputer. Diese könnten helfen, bislang unlösbare mathematische Probleme zu lösen.
3D Qubit von IBM (Quelle: IBM)
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3D Qubit von IBM (Quelle: IBM)
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Um die Möglichkeiten von Quantencomputern zu nutzen, ist es aber notwendig, die sogenannte Dekohärenz - die durch Faktoren wie Hitze, elektromagnetische Strahlung und Materialdefekte hervorgerufenen Rechenfehler - zu kontrollieren oder zu eliminieren. Ein wichtiger Ansatzpunkt dafür ist es, die Zeit zu verlängern, über die Qubits ihre quantenmechanischen Eigenschaften behalten. Ist diese Zeitspanne lange genug, lassen sich Fehlerkorrektursysteme effektiv einsetzen, so dass sich lange und komplexe Berechnungen durchführen lassen.
Quantencomputer rückt in greifbare Nähe
Nun gibt es verschiedene Ansätze, um einen funktionieren Quantencomputer zu entwickeln. IBM konzentriert sich auf supraleitende Qubits. Dabei experimentiert IBM mit einem dreidimensionalen supraleitenden Qubit (3D Qubit), einer Idee, die an der Universität Yale entstand. Damit konnte IBM die Zeitspanne, für die ein Qubit seinen Quantenstatus behält, im Vergleich zu den bisherigen Rekorden um das Zwei- bis Vierfache verlängern. Damit sei gerade so das Minimum erreicht, um Fehlerkorrektursysteme effektiv einzusetzen, erklärte IBM. So könnten sich Ingenieure um Fragen der Skalierbarkeit kümmern.
"Unsere Arbeiten im Bereich Quantencomputer zeigen, dass es hierbei nicht länger um ein rein physikalisches Experiment geht. Es ist Zeit, damit zu beginnen, Systeme auf Basis dieser wissenschaftlichen Erkenntnisse zu entwickeln, die die Computerei an neue Grenzen heranführen", sagt der Leiter von IBMs Quantencomputer-Forschungsteams, Matthias Steffen.
In einem weiteren Experiment konnten die IBM-Forscher ein eher traditionelles, zweidimensionales Qubit präsentieren und eine logische Operation - Controlled-NOT (CNOT) - mit zwei Qubit umsetzen, ein wichtiger Baustein beim Bau eines Quantencomputers. Die Operation war in 95 Prozent aller Fälle erfolgreich. Das wurde durch eine lange Kohärenzzeit von 10 Mikrosekunden ermöglicht. Damit werde fast die für den Einsatz von Fehlerkorrektursystem notwendige Grenze erreicht, so IBM.
hmm1.21Gigawatt schrieb:Das klingt erstmal lahm aber wenn man sich klar macht, dass die Rechnung von 5 Atomen durchgeführt wurde ist es ziemlich krass.
Physikern ist es nun gelungen, ein neues Verfahren zur Quanteninformationsverarbeitung zu entwickeln, bei dem sie gleich mehrere typische Quanteneffekte geschickt ausnutzten. Dadurch konnten sie Materie und Licht miteinander so wechselwirken lassen, dass die flüchtigen Quantenkorrelationen, auf denen das Quantencomputing basiert, nicht verloren gingen. Zugleich konnten sie die Rate, mit der Lichtteilchen ausgesandt werden, um rund den Faktor 100 im Vergleich zu ähnlichen Experimenten erhöhen, berichten sie im Fachblatt „Nature“. Damit eröffnet ihr Verfahren neue Wege, größere Quantennetzwerke aufzubauen.
Dank dem Phänomen der Verschränkung sind Quantencomputer und Quantenkryptographie denkbar, die bislang ungekannte Möglichkeiten für die Informationsverarbeitung und die Datenübertragung bieten. Die Forschung hierzu steht zwar noch am Anfang, doch Rydbergatome könnten hierbei eine wichtige Rolle spielen. „Es ist mittlerweile möglich, spezielle logische Gatter mit optisch manipulierten Rydbergatomen zu bauen“, sagt Pfau. Solche logischen Gatter sind die Grundbausteine für alle möglichen Rechenoperationen.
Weltweit gibt es mittlerweile eine Reihe von Forschungsgruppen, die unter verschiedenen Aspekten an diesen Problemen arbeiten. Am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching befassen sich Wissenschaftler ebenfalls mit Rydbergatomen. Der Arbeitsgruppe von Immanuel Bloch ist es gelungen, Rydbergatome durch gezielte Bestrahlung mit Laserlicht so anzuordnen, dass sich quasi eine kristallförmige Struktur herausbildete. Auch dies ließe sich für logische Gatter in einem Quantencomputer nutzen. „Uns interessiert hierbei insbesondere, wie man die Wechselwirkung gezielt kontrollieren kann, um damit neue Materiezustände zu erzeugen“, erklärt Bloch. Die technischen Möglichkeiten, die diese Grundlagenforschung eröffnet, sind weitreichend. „Wir erforschen deshalb auch die Erzeugung von Vielteilchenzuständen, denn diese sind wichtig für einen leistungsfähigen Quantencomputer“, so Bloch.
Quantencomputer die in Mikrometergrössen arbeiten? Kernfusionsanlagen die mit Antimaterie arbeiten? Nö.Zellaktivator schrieb:Imo findet die (ferne) Zukunft der Quantencomputer evtl. im Weltraum statt.
Auch, wenn die Autoren anmerken, dass dieser Effekt in der Zukunft experimentell überprüft werden könnte, sind diese Dimensionen allerdings noch sehr weit entfernt von jenen, mit denen Wissenschaftler heute im Labor hantieren.Also ist das gar kein Problem mit dem man aktuell zu kämpfen hat, sondern es gibt nur die Vermutung, dass es damit in Zukunft ein Problem ergeben könnte.
