Forschung

Robuste Rechenoperationen für den Quantencomputer

13.01.2020 - Neues Verfahren zur Steuerung von Qubits mit Mikrowellenpulsen reduziert Fehlerquote und erhöht Effizienz.

Mit ihren erheblich größeren Rechen­leistungen sollen Quanten­computer künftig Aufgaben lösen, an denen heutige Computer scheitern und es so beispiels­weise erlauben, neue Materialien und Wirkstoffe zu verstehen und zu erfinden oder die Grenzen von Verschlüs­se­lungs­verfahren aus­zu­loten. Forscher der Uni Hannover und der Physikalisch-Technischen Bundes­anstalt haben jetzt ein neues Ionen-Verfahren vor­ge­stellt, welches die Fehler­rate weiter reduziert und so deutlich schneller verläss­liche Rechen­ergebnisse liefert.

Derzeit sind zwei experimen­telle Ansätze zur Reali­sierung von Qubits am weitesten fort­ge­schritten: supra­leitende Schalt­kreise und gefangene Ionen. Erstere speichern die Quanten­information in elektro­nischen Bau­elementen, letztere in unter­schied­lichen Energie­niveaus einzelner Atome. In supra­leitenden Schalt­kreisen konnte vor kurzem erst­mals experi­mentell gezeigt werden, dass ein Quanten­computer hoch­spezia­li­sierte Aufgaben bearbeiten kann, an denen ein klassischer Computer scheitert. Ionen zeichnen sich hingegen dadurch aus, dass die Fehler­rate der Rechen­opera­tionen bisher immer wesent­lich geringer war als bei jedem anderen Ansatz.

Das nun entwickelte Ionen-Verfahren reduziert die Fehler­rate weiter und liefert so deutlich schneller verläss­liche Rechen­ergebnisse. Es folgt einem Ansatz, bei dem die Ionen mit Hilfe elektrischer Felder oberhalb einer Chip-Struktur in einem Vakuum fest­ge­halten werden. Die Rechen­opera­tionen auf den Qubits werden durch­ge­führt, indem Mikro­wellen­signale durch spezielle, in die Chip-Struktur ein­ge­lassene Leiter­schleifen geschickt werden. Üblicher­weise werden zur Durch­führung von Rechen­operationen extrem genau kontrol­lierte Laser­strahlen verwendet. Die Verwendung von Mikro­wellen hat den Vorteil, dass die Mikro­wellen­techno­logie sehr weit entwickelt ist und dass es vergleichs­weise einfach ist, diese Felder zu kontrol­lieren.

Die Forscher haben jetzt unter­sucht, wie man die Rechen­operationen auf den Qubits am effizien­testen durch­führt. Das ist eine Frage, die auch in heutigen Computer­chips von großer Relevanz ist, denn am Ende entscheidet die Energie, die pro Rechen­operation benötigt wird, darüber, wie viele davon pro Sekunde durch­ge­führt werden können, bevor der Chip zu heiß wird. Im Falle des Ionen-Mikro­wellen-Quanten­computers konnten die Forscher zeigen, dass speziell geformte Mikro­wellen­pulse, bei denen das Mikro­wellen­feld langsam auf- und wieder abgebaut wird, bei gleichem Energie­einsatz trotz Vorliegen von Stör­quellen ein­hundert­mal niedrigere Fehler­raten auf­weisen als eine Rechen­operation, bei denen die Felder einfach an- und ausge­knipst werden.

Das Team hatte dazu zusätz­liche, genau kontrol­lierte Stör­quellen in das Experiment einge­bracht und die Rechen­fehler für unter­schied­lich starke Stör­quellen und für beide Puls­formen ermittelt. „Für unser Experiment hat das einen riesigen Unter­schied gemacht“, so Giorgio Zaranto­nello von der Uni Hannover. „Früher mussten wir für gute Rechen­operationen lange Probieren und Optimieren, bis wir einen Moment erwischten, in dem die Stör­quellen sehr klein waren. Jetzt können wir unser Experiment einfach einschalten, und es funktioniert!“

Nachdem die Wissenschaftler zeigen konnten, das elementare Rechen­operationen mit niedrigen Fehler­raten realisiert werden können, wollen sie das auch für komplexere Aufgaben erreichen. Ihr Ziel ist, deutlich weniger als einen Fehler alle zehn­tausend Operationen zu erreichen. Erst dann ist es sinnvoll, die Anwendung auf viele Qubits zu erweitern. Hierzu haben die Wissen­schaftler bereits ein paten­tiertes Herstel­lungs­ver­fahren entwickelt, das es ermöglicht, viele Qubits in einer Chip­struktur zu speichern und zu mani­pu­lieren.

LUH / PTB / RK

Weitere Infos

Einen Schritt weiterdenken – die neue Generation der Scrollpumpen:


Erleben Sie unsere neue HiScroll – die ölfreien Vakuumpumpen von
Pfeiffer Vacuum.

 

Erfahren Sie mehr über die HiScroll Vakuumpumpen

Newsletter

Die Physik in Ihrer Mailbox – abonnieren Sie hier kostenlos den pro-physik.de Newsletter!

Funktionsprinzip einer HiPace Turbopumpe in 3D


HiPace Turbopumpen eignen sich für höchste Anforderungen unter anderem in der Fusionsforschung, Elementarteilchenphysik oder Laseranwendung.

Erfahren Sie mehr über die HiPace Turbopumpen

Produkte des Monats

Korrosion und Korrosionsschutz modellieren - Whitepaper

Schäden durch Korrosion verursachen weltweit Kosten von rund 2,5 Billionen Dollar. Durch einen geeigneten Korrosionsschutz ließen sich diese Kosten deutlich senken. Die mathematische Modellierung und Simulationen helfen, Korrosion und Korrosionsschutz besser zu verstehen, wie ein Whitepaper zeigt.

Whitepaper lesen!

Die neuen ölfreien und äußerst leisen Scrollpumpen

Die Scrollpumpen HiScroll von Pfeiffer Vacuum sind ölfreie, hermetisch dichte Vakuumpumpen mit einem hohen nominellen Saugvermögen von 6 bis 20 m³/h. Die kompakte Bauweise sowie leiser und vibrationsarmer Betrieb zeichnen sie besonders aus.

Mehr Informationen

Virtuelle Jobbörse

Als Ersatz für die Jobbörse auf der DPG-Frühjahrstagung
in Dresden bieten die Deutsche Physikalische Gesellschaft
(DPG) und der Verlag Wiley-VCH gemeinsam eine virtuelle
Jobbörse an.
Sie suchen Physikerinnen und Physiker? Dann nutzen Sie
diese einmalige virtuelle Recruiting-Gelegenheit.

Anschreiben
Beschreibung
Bestellschein

Produkte des Monats

Korrosion und Korrosionsschutz modellieren - Whitepaper

Schäden durch Korrosion verursachen weltweit Kosten von rund 2,5 Billionen Dollar. Durch einen geeigneten Korrosionsschutz ließen sich diese Kosten deutlich senken. Die mathematische Modellierung und Simulationen helfen, Korrosion und Korrosionsschutz besser zu verstehen, wie ein Whitepaper zeigt.

Whitepaper lesen!

Die neuen ölfreien und äußerst leisen Scrollpumpen

Die Scrollpumpen HiScroll von Pfeiffer Vacuum sind ölfreie, hermetisch dichte Vakuumpumpen mit einem hohen nominellen Saugvermögen von 6 bis 20 m³/h. Die kompakte Bauweise sowie leiser und vibrationsarmer Betrieb zeichnen sie besonders aus.

Mehr Informationen

Virtuelle Jobbörse

Als Ersatz für die Jobbörse auf der DPG-Frühjahrstagung
in Dresden bieten die Deutsche Physikalische Gesellschaft
(DPG) und der Verlag Wiley-VCH gemeinsam eine virtuelle
Jobbörse an.
Sie suchen Physikerinnen und Physiker? Dann nutzen Sie
diese einmalige virtuelle Recruiting-Gelegenheit.

Anschreiben
Beschreibung
Bestellschein