Forscher zeigen ersten programmierbaren Quantencomputer

ForschungInnovation

Ohne Umbauten: Erster Quantenrechner kann verschiedene Programme ausführen. Die Forscher nutzen dazu Laser, um die Qubits zu “programmieren”. Das funktioniert zunächt in bescheidem Umfang, aber die Grundlagen für künftige Quantencomputer sind damit gelegt.

Wissenschaftler haben den ersten programmierbaren Quantencomputer entwickelt. Damit nährt sich die Hoffnung, dass eines Tages auch komplexe Berechnungen mit dem Quantencomputer möglich sind. Diese speziellen Rechner konnten bisher nur jeweils eine Aufgabe lösen. Wenn Forscher andere Rechenaufgaben durchführen wollten, musste der Rechner ‘umgebaut’ werden.

Theoretisch sollte ein Quantencomputer in der Lage sein, Abermilliarden Kalkulationen simultan umzusetzen. Damit könnten diese neuen Rechner Aufgaben lösen, zu denen bisher normale Rechner nicht in der Lage waren, oder sehr lange brauchen würden. So könnten diese Rechner in kurzer Zeit eine Verschlüsselung knacken, für die ein herkömmlicher Rechner länger brauchen würde, als unser Sonnensystem existiert.

Der Blick in die Ionen-Falle der Forscher der Universität Maryland. Fünf Ionen sind hier in einem Magnetfeld gehalten. Über Laser können diese verschiedene Energiezustände haben. (Bild: S. Debnath and E. Edwards/JQI)
Der Blick in die Ionen-Falle der Forscher der Universität Maryland. Fünf Ionen sind hier in einem Magnetfeld gehalten. Über Laser können diese verschiedene Energiezustände haben. (Bild: S. Debnath and E. Edwards/JQI)

Aktuell konnten die Wissenschaftler des Joint Quantum Institute, einer Partnerschaft zwischen der University of Maryland (UMD) und dem National Institute of Standards and Technology, über Laserspulen die Ionen des Rechners rekonfigurieren.

Damit waren sie in der Lage, immerhin drei verschiedene Algorithmen durchzuführen. Dafür wurden fünf Ytterbium-Ionen, die in einem elektromagnetischen Feld gehalten werden, über Laserimpulse kontrolliert. Diese Ionen sind die so genannten Qubits, die vereinfacht gesagt, als Prozessor dienen und logische Operationen durchführen. Dafür muss jedoch der Energiezustand dieser Ionen verändert werden, erst dann treten sie zu einander in Verbindung. Diese Verbindungen bilden dann die logischen Operatoren. Je nachdem, wie viel Energie sie den einzelnen Ionen zuführen, können sie dann auch verschiedene Algorithmen ausführen.

Blick ins Innere von IBMs Quantencomputer (Bild: IBM)
So sieht IBMs Quantencomputer aus. (Bild: IBM)

Damit die Forschergruppe um Shantanu Debnath von der University of Maryland aber weiß, welche Operatoren möglich sind, wurden diese zuvor simuliert. Damit ist das eigentliche Kernstück des Rechners nicht die Ionenfalle, sondern die Datenbank, die die verschiedenen Sequenzen der Laser speichert. Über eine Software lasse sich ein Algorithmus in Laser-Ströme übersetzen.

In dieser Kühleinheit kühlt IBM die supraleitenden Quantenbits auf minus 273 Grad Celsius herunter, damit die in ihnen gespeicherten Daten nicht beschädigt werden (Bild: IBM).
In dieser Kühleinheit kühlt IBM die supraleitenden Quantenbits auf minus 273 Grad Celsius herunter, damit die in ihnen gespeicherten Daten nicht beschädigt werden. (Bild: IBM).

“Damit haben wir jetzt die Möglichkeit, das Modul mit einer Vielzahl von Aufgaben zu testen”, so Debnath.”Indem wir jegliches paar der Qubits direkt verbinden können, sind wir in der Lage, das System zu rekonfigurieren, um damit einen beliebigen Algorithmus zu implementieren.” Auch wenn es derzeit nur fünf Qbits seien, habe man nun doch die Möglichkeit, auch weit größere Gruppen einzusetzen.



Die Funktionsweise dieser Rechner basiert auf den Gesetzen der Quantenphysik, die unter anderem so genannte Superpositionen abdeckt. Demnach kann sich ein Atom gleichzeitig in entgegengesetztes Richtungen bewegen. Wo unsere heutigen Rechner mit 0 und 1 arbeiten, können die Quantum-Bits mehrere verschiedene Zustände gleichzeitig haben und daher auch verschiedene Rechenoperationen zur gleichen Zeit durchführen.

Jetzt haben die Forscher den Deutsch-Jozsa Algorithmus ausgeführt, der meist eingesetzt wird, um Quanten-Rechner zu testen. Als zweites setzten die Forscher den Bernstein-Vazirani Algorithmus um, mit dem Fehler in diesen Rechnern untersucht werden. Und als drittes führen die Forscher den Quanten Fourier Algorithmus aus, der meist dafür verwendet wird, um Verschlüsselungen zu knacken. Letzterer gilt als einer der schwierigsten Operationen in Quantenrechnern, hier hatten dir Forscher in 70 Prozent der Probeläufe Erfolg. Die anderen beiden Algorithmen hingegen sollen zu 95 und 90 Prozent erfolgreich gelaufen sein.

Die Forscher wollen ihren Rechner nun noch mehrmals umprogrammieren und weitere Algorithmen testen. Künftig soll der Rechner als Testgerät für die Untersuchung von Multiqubit-Operationen gelten. Die Forscher glauben, dass es möglich ist, mehr als 100 dieser Qbits zu einem programmierbaren Rechner zusammenzufassen. Auch sei es möglich, die Ionen zu bewegen oder über Photonen miteinander kommunizieren zu lassen.

Benutzeroberfläche von IBMs Quantum Experience (Bild: IBM)
Benutzeroberfläche von IBMs Quantum Experience (Bild: IBM)

IBM startete jüngst mit einem Cloud-Service, über den sich Quantenrechner nutzen lassen. Im Rahmen der IBM Quantum Experience können Interessiert auf das 5-Qubit-System, das IBM Research im US-Bundesstaat New York betreibt, via Internet zuzugreifen. Experimentelle Programme lassen sich darauf mittels einer bereitgestellten Programmierschnittstelle und Benutzeroberfläche ausführen. Der Zugriff auf den Quantencomputer-as-a-Service ist dabei kostenlos.

Anklicken um die Biografie des Autors zu lesen  Anklicken um die Biografie des Autors zu verbergen