98 Qubits
Quanten-"Eisenbahn" bringt Ionenfallen zurück ins Quantencomputer-Rennen
Einst galt die Technologie als Hoffnungsträgerin, doch mit zunehmender Rechenleistung versagte die Kommunikation zwischen Qubits. Dieses Problem scheint nun gelöst
Reinhard Kleindl
Hunderttausende oder Millionen einzelner Quantensysteme zu einem Netzwerk zu verbinden, gehört zu den großen Herausfoderungen der Quantencomputerforschung.
Eine beliebte und gefürchtete Frage, mit der Startup-Unternehmer oft konfrontiert sind, lautet: "Skaliert es?" Damit ist gemeint: Ist es möglich, ein Geschäftsmodell beliebig wachsen zu lassen, oder stößt man irgendwann auf Hürden, die den potenziellen Erfolg limitieren?
Das Problem der Skalierbarkeit gibt es nicht nur in der Privatwirtschaft, es ist auch zentral für das Rennen um leistungsfähige Quantencomputer. Auf dem Papier können Quantencomputer in nie dagewesener Geschwindigkeit komplexe Probleme lösen, die allen noch so leistungsfähigen herkömmlichen Rechnern für immer unzugänglich bleiben müssen. Doch in der Praxis tun sich zahlreiche Probleme auf, die mehr oder weniger alle eines gemeinsam haben: Sie verhindern die Skalierbarkeit. Kleine Quantencomputer mit hoher Verlässlichkeit gibt es seit Jahrzehnten, doch versucht man die Zahl der Qubits zu erhöhen, geht diese stark zurück.
Gefangene Atome
Eine traditionelle Technologie zum Bau von Quantencomputern basiert auf Ionenfallen. Dabei werden einzelne Atome ihrer Außenelektronen beraubt – ionisiert – und berührungslos in "Fallen" eingesperrt. Sie lassen sich dann als Qubits, also die quantenphysikalischen Gegenstücke von Bits, verwenden. Ionen können gut abgeschirmt und manipuliert werden, ohne die flüchtigen Quanteneffekte zu zerstören, deren Grundlage die theoretische Rechenüberlegenheit von Quantencomputern darstellt.
Um zum Rechnen zu taugen, müssen diese Ionen aber miteinander kommunizieren, und hier wird es anspruchsvoll. Zur Erinnerung: Jede Störung führt zum Kollaps der Quantenzustände. Bisherige Zugänge sahen etwa vor, Ionen in einer Reihe anzuordnen, wie Perlen auf einer Schnur. Benachbarte Ionen konnten dabei gut kommunizieren, doch die Kommunikation zwischen entfernteren Nachbarn war störungsanfälliger. Die Ionen begannen gewissermaßen "Stille Post" zu spielen. Andere Quantencomputer-Architekturen, etwa auf Basis supraleitender Chips, sind hier weniger problematisch.
Begegnungszone
Schon seit dem Jahr 2002 gibt es aber einen Ansatz, der das Stille-Post-Problem bei Ionenfallen lösen soll. Dabei wird eine Kette aus Ionen zu einem Ring gekrümmt, sodass ursprünglich weit entfernte Ionen plötzlich nebeneinanderliegen, um Informationen auszutauschen. Er wird Quantum-Charge-Coupled-Device-Architektur (QCCD-Architektur) genannt, dabei sind die Qubits in Gruppen mit einer Rechenzone und einem separaten Speicher aufgeteilt. Die Ionen kommunizieren über ihre Ladung miteinander und sind beweglich, wie Waggons auf einer Bahnstrecke, sodass Qubits nicht über Entfernungen "sprechen" müssen, sondern sich begegnen können.
Ein Forschungsteam um Anthony Ransford vom US-Unternehmen Quantinuum gemeinsam mit Forschenden der US-amerikanischen Sandia National Laboratories berichtet nun in einer neuen Studie im Fachjournal Nature von einem Quantencomputer mit 98 Qubits auf Basis von Ionenfallen, die dieser Architektur folgen. Es ist nicht der größte Quantencomputer, der bisher realisiert wurde, aber der größte, der Ionenfallen nutzt, in diesem Fall mit Bariumatomen. Programmierbare Quantencomputer mit Atomen dieses Elements, die bestimmte Vorteile gegenüber anderen bisher verwendeten Elementen haben, gab es bisher nicht.
Bemerkenswert an dem neuen Prototypen ist die Verlässlichkeit bei einzelnen Rechenoperationen. Sie liegt bei über 99,9 Prozent. Dass die Menge an Qubits auch Nutzen bringt, demonstrierte das Team, indem es Berechnungen durchführte, die mit konventionellen Computern länger dauern würden, darunter eine Simulation des Verhaltens von Elektronen in einem Supraleiter.
Mit solchen Ionenfallen arbeitet das österreichische Unternehmen Alpine Quantum Technologies.
Große Leistung
Unabhängige Fachleute sind insgesamt angetan von dem Konzept. "Die präsentierten Ergebnisse positionieren Quantinuum an der Spitze der Entwicklung von Quantencomputern", sagt Ignacio Cirac vom deutschen Max-Planck-Institut für Quantenoptik. "Denn es gelingt bei einer relativ hohen Anzahl von Qubits, die bislang besten Fehlerraten und die höchste Fidelität [Verlässlichkeit, Anm.] für Systeme dieser Größenordnung zu erreichen."
Laut Hannes Bernien von der Universität Innsbruck, wissenschaftlicher Direktor des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften in Innsbruck, zeigt die Studie "eindrucksvoll, wie ein Ionenfallen-Quantenprozessor von bisherigen Größen von etwa zehn bis 50 Qubits auf fast 100 Qubits skaliert werden kann". Er erinnert daran, dass es die…
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