Auf dem Weg zum Quantenrechner für jedermann: Neuer Quantencomputer passt in zwei Serverracks

Quantencomputer gelten als Schlüsselelement für das nächste Computerzeitalter. Sie nutzen quantenphysikalische Effekte wie die Quantenverschränkung und -überlagerung, um viele Aufgaben wesentlich schneller zu lösen als herkömmliche Rechner. Die Anlagen sind jedoch relativ empfindlich und raumfordernd. Nun haben Forscher einen Quantencomputer entwickelt, der in zwei 19-Zoll-Serverracks platz findet und effektiv mit wenig Aufwand betrieben werden kann. Das System erreicht ähnliche Leistungen wie Quantencomputer, die ganze Labore einnehmen.

Quantencomputer im Kleinformat

Aufgrund des aufwändigen Betriebs sowie dem ausgeprägten Platzbedarf sind Quantencomputer bisher eher Exoten, die der Erforschung und Weiterentwicklung dieser Technologie dienen. Dank eines Teams rund um Thomas Monz von der Universität Innsbruck kann sich das nun ändern. Die Forscher wollen Quantencomputer massentauglich machen. Die Geräte sollen nicht mehr nur von Spezialisten bedient werden können, sondern auch Endnutzern zur Verfügung stehen. Dazu müssen die Geräte klein, modular und leicht bedienbar werden.

Für die Umsetzung dieser Vision ist den Forschern nun ein erster Schritt gelungen: Sie konnten einen Quantencomputer entwickeln, der modular aufgebaut ist und in zwei handelsüblichen 19-Zoll-Serverracks untergebracht werden kann, die in Rechenzentren auf der ganzen Welt zur Standardausstattung gehören. „Uns ging es nun darum, die Technologien auf kleinstmöglichem Raum unterzubringen und gleichzeitig die in der Industrie üblichen Normen und Standards zu erfüllen„, erklärt Monz.

Das System bewährte sich bereits in Tests

Das System besteht aus mehreren Modulen, die übereinander gestapelt und in zwei Serverracks untergebracht werden können. Dabei enthält ein Rack die Technik, die für die Manipulation und das Auslesen der Qubits benötigt werden, sowie die Steuerelektronik. Dieses Rack enthält auch die Ionenfalle, in der 24 verschränkte Calcium-Ionen (Ca+) in einer Magnetfalle gehalten werden. Diese Qubits werden durch eine spezielle Abschirmung sowie Vibrationsdämpfern geschützt und dann von Laserstrahlen in unterschiedliche Energiezustände gebracht, die den Nullen und Einsen eines normalen Rechners entsprechen. Die Laserstrahlen werden dabei im zweiten Serverturm erzeugt und über optische Leitungen in den ersten geleitet.

Monz und sein Team prüften die Leistung ihres Quantenrechners in mehreren Tests, in denen das System mit bis zu 24 Qubits rechnete. Dabei erzeugten sie sowie einzeln als auch paarweise verschränkte logische Gatter. „Unseres Wissens nach ist dies der größte maximal verschränkte Zustand, der je in einem System ohne Fehlerkorrektur oder nachträgliche Selektion erzeugt wurde. Das demonstriert die Fähigkeiten unseres Systems„, so Monz und seine Kollegen weiter. Die Ergebnisse seien auch was Fehleranfälligkeit und Stabilität anbelangt vielversprechend. Das System ließ sich weder durch Vibrationen noch durch äußerliche Magnetfelder wesentlich stören. „Wir erreichen eine Zuverlässigkeit von 99,8 Prozent pro adressiertem Einzelionen-Gatter„, so die Forscher.

50 Qubits bis 2022

„Wir konnten zeigen, dass Kompaktheit nicht auf Kosten von Funktionsfähigkeit gehen muss„, fasst das Team die Ergebnisse zusammen. Im nächsten Schritt wollen die Forscher den Quantencomputer auf 50 Qubits erweitern. Bis 2022 soll dies umgesetzt werden. Die Forscher sehen ihren Ansatz als Möglichkeit, Quantencomputer für ein breiteres Publikum verfügbar zu machen. Eines Tages sollen Quantenrechner auch in normalen Rechenzentren ohne weitere Kenntnisse genutzt werden können.

via Universität Innsbruck