Nicht mehr binär: Quantencomputer rechnet mit insgesamt acht statt zwei Zuständen

Computer rechnen mit binären Daten. Auch Quantencomputer, die als Zukunft der Informationstechnologie gelten, machen da keine Ausnahme. Egal, ob es sich um herkömmliche Bits oder Quantenbits handelt: Sie können lediglich 0 oder 1 als Wert annehmen. Doch die Recheneinheiten von Quantencomputern sind eigentlich in der Lage, mehr als zwei Zustände anzunehmen. Physiker:innen haben nun einen Quantencomputer konzipiert und getestet, der mit acht „Quantendigits“ statt mit binären Quantenbits rechnet. Dieser neuartige „Qudit“-Computer rechnete im Test ähnlich zuverlässig wie gängige Quantencomputer.

Bild: Universität Innsbruck/ Harald Ritsch

Quantencomputer mit Qudits

Egal, ob es sich um einen Taschenrechner, ein Smartphone, ein Laptop, einen modernen Superrechner oder bisher eben Quantencomputer handelt: Sie alle rechnen binär, das heißt, sie nutzen Abfolgen von Nullen und Einsen zur Codierung der Information. Quantencomputer gelten als die neueste Rechnertechnologie. Diese Art Computer löst Rechenaufgaben mit Hilfe von Atomen, Ionen oder virtuellen Teilchen, die Phänomene wie quantenphysikalische Überlagerungen und Verschränkungen aufweisen. So können etwa alle möglichen Lösungen einer Rechenoperation parallel überprüft werden. Ersten Quantencomputern gelang es schon, Überlegenheit gegenüber Supercomputern herzustellen. Dies beschränkte sich allerdings auf bestimmte Aufgaben.

Allerdings sind alle derzeit existenten Quantencomputer quasi ausgebremst. Denn auch sie rechnen binär. Das wäre allerdings eigentlich nicht nötig. „Die physikalischen Bausteine des Quantencomputers können allerdings deutlich mehr als nur Null und Eins. Die Einschränkung auf binäre Systeme nimmt diesen Computern viel von ihrem echten Potenzial„, so Martin Ringbauer von der Universität Innsbruck. Forscher:innen wählen in der Regel zwei gut unterscheidbare Quantenzustände und bezeichnen sie als Null und Eins, um Quantenrechner binär zu machen. So wird das Auslesen verlässlicher und weniger Fehleranfällig.

Ringbauer und seine Kolleg:innen gelang es nun, einen Quantencomputer zu entwickeln, der das Potential der Quantenphysik voll ausnutzt und so mehr Rechenleistung mit weniger Quantenteilchen erreichen kann. „Im Innsbrucker Quantencomputer wird Information in einzelnen gefangenen Kalziumatomen gespeichert, die jeweils acht Zustände haben, von denen bisher aber nur zwei zum Rechnen verwendet wurden„, so Thomas Monz, der mit Ringbauer zusammenarbeitet. Für ihr Experiment nutzten die Physiker:innen allerdings eine selbstentwickelte Technik, mit deren Hilfe alle acht Zustände der Kalziumatomen zum Speichern von Informationen genutzt werden können. Die Ionen fungieren somit als Quantendigits, kurz Qudits, und nicht mehr als Quantenbits. Dabei nutzten die Forscher:innen sieben Zustände als aktive Informationsträger, während der achte Zustand für das mehrschrittige Auslesen reserviert wurde.

Viele Anwendungsgebiete

Um mit dem Qudit-Quantencomputer dann praktisch rechnen zu können, koppelten die Forscher:innen die Ionen zu logischen Gates, sodass verschiedene Rechenoperationen möglich wurden. In den ersten Tests wiesen sie nach, dass der Qudit-Quantencomputer genauso verlässlich arbeitet wie einer, der binär rechnet. „Wir demonstrieren damit einen universellen Qudit-Quantenprozessor, der auf Basis von gängiger Ionenfallen-Hardware funktioniert„, so die Wissenschaftler:innen. Dieser könnte sich in vielen Anwendungsbereichen als vorteilhaft erweisen, da viele Aufgaben für Quantencomputer erst für das binäre Rechnen umgeschrieben werden müssen. „Mit mehr als Null und Eins zu rechnen, ist nicht nur optimal für die Quantencomputer, sondern auch deutlich natürlicher für viele Anwendungen. Dieser Ansatz ermöglicht es uns, das volle Potenzial unserer Quantencomputer auszuschöpfen„, so Ringbauer.

via Universität Innsbruck