Datenbus für Quantencomputer

  • 07. November 2017

Neues Verfahren kann Bauteile wie Prozessor und Speicher miteinander verbinden.

Quanten­computer werden in Zukunft Rechen­aufgaben bewältigen, an denen her­kömmliche Computer scheitern. Weil Objekte in der Quanten­welt aber sehr sensibel auf Störungen reagieren, sind der Umsetzung heute noch Grenzen gesetzt. Obwohl die Systeme mit hohem Aufwand gegenüber Umwelt­einflüssen abgeschirmt werden, können bisher im Labor nur kleine Protoypen für Quanten­computer gebaut werden. Die Fehler­anfällig­keit lässt sich redu­zieren, indem die Quanten­information nicht in einem einzelnen Quanten­teilchen gespeichert, sondern in einer größeren Anzahl an Quanten­objekten kodiert wird.

Abb.: Künstlerische Darstellung eines Verfahrens, mit dem unterschiedlich kodierte Quantensysteme verbunden werden können. (Bild: H. Ritsch, U. Innsbruck)

Abb.: Künstlerische Darstellung eines Verfahrens, mit dem unterschiedlich kodierte Quantensysteme verbunden werden können. (Bild: H. Ritsch, U. Innsbruck)

Diese logischen Quanten­bits sind gegenüber Störungen unempfind­licher. In den vergangenen Jahren haben Theo­retiker viele verschiedene Fehler­korrektur­codes entwickelt und diese für unter­schiedliche Aufgaben optimiert. Physiker Hendrik Poulsen Nautrup und Hans Briegel vom Institut für Theo­retische Physik der Univer­sität Innsbruck und Nicolai Friis, nun am Institut für Quanten­optik und Quanten­information in Wien, haben ein Verfahren gefunden, mit dem Quanten­information zwischen unter­schiedlichen, kodierten Systemen ausge­tauscht werden kann.

Wie klassische Rechner kann auch der Quanten­computer der Zukunft aus unter­schiedlichen Bauteilen bestehen. Schon heute existieren im Labor erste Quanten­prozessoren und Quanten­speicher. Für sie können unter­schiedliche Verfahren eingesetzt werden, um logische Quanten­bits zu kodieren: für Quanten­prozessoren zum Beispiel „Color“ Codes und für Quanten­speicher „Surface“ Codes. „Damit diese beiden Systeme quanten­mechanisch mit­einander sprechen können, müssen sie verschränkt werden“, sagt Doktorand Hendrik Poulsen Nautrup.

„Wir haben ein Verfahren entwickelt, mit dem unter­schiedlich kodierte Quanten­systeme verbunden werden können“, ergänzt Poulsen Nautrup. Dabei handelt es sich um lokale Eingriffe an einzelnen Elementen des ko­dierten Quanten­bits. Die Wissen­schaftler sprechen auch von Gitter­chirurgie, mit der Systeme wie ein Quanten­speicher und ein Prozessor verschränkt werden können. Nachdem die beiden Systeme vorüber­gehend mit­einander „vernäht“ wurden, kann die Quanten­information vom Prozessor in den Speicher oder umgekehrt geladen werden. „Ähnlich wie ein Datenbus im klass­ischen Computer, kann diese Methode verwendet werden, um die Bauteile eines Quanten­computers mit­einander zu verbinden“, erläutert Poulsen Nautrup. Das neu entwickelte Verfahren soll demnächst im Labor umge­setzt werden und stellt einen weiteren Schritt auf dem Weg zu einem universellen Quanten­computer dar.

U. Innsbruck / JOL

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