Quantencomputer gelten als die Zukunft der Informationstechnologie. Allerdings leidet die Technologie noch an dem Problem der Skalierbarkeit. Es gibt zwar bereits Quantencomputer mit 1.000 Qubits, aber für alltagstaugliche und universell einsetzbare Quantencomputer werden wahrscheinlich mehrere Millionen Qubits erforderlich sein. Das Problem daran: Je mehr Qubits ein Quantencomputer verwendet, desto anfälliger für Fehler und demnach auch instabiler ist er. Forscher:innen haben nun erstmals zwei Quantencomputer miteinander verkoppelt und ein Quanten-Logikgatter über eine Entfernung von zwei Meter hinweg „teleportiert“. Es handelt sich um den ersten Nachweis verteilten Rechnens auf Quantenbasis. Derartige Ansätze könnten in Zukunft eingesetzt werden, um die Skalierung von Quantencomputern einfacher zu gestalten.
Erstmals arbeiten mehrere Qubit-Module an einer Aufgabe
Der Ansatz ist relativ simpel – zumindest vom Prinzip her: Statt die erforderliche Rechenarbeit von einem Quantencomputer mit vielen Qubits durchführen zu lassen, wird sie über mehrere Quantencomputer verteilt. „Jedes dieser Module enthalt nur eine relativ geringe Zahl von Qubits, diese sind aber über klassische und quantenphysikalische Kanäle miteinander gekoppelt„, so die Forscher:innen rund um Dougal Main von der University of Oxford. Die einzelnen Quantenmodulde bleiben dank der Tatsache, dass sie nicht allzu viele Qubits enthalten, relativ stabil. Gleichzeitig kann die Gesamtheit der miteinander gekoppelten Module größere Quantenalgorithmen durchführen.
Man und seinen Kolleg:innen gelang es nun erstmals, Qubit-Module so miteinander zu verknüpfen, dass diese modulübergreifend einen Quantenalgorithmus lösen konnten. Dabei bestand jedes Modul aus zwei Qubits, die in Form von Ionen vorlagen. Dabei diente ein Ion als Schaltkreis-Qubit sowie Zusatz-Qubit, während das zweite Ion als Netzwerk-Qubit fungierte. Dieses Netzwerk-Qubit wurde über eine Glasfaser mit dem korrespondierenden Qubits eines zweiten Moduls verbunden.
Zwei Module, ein Quantengatter
Die Forscher:innen verschränkten die Netzwerk-Qubits beider Module quantenphysikalisch miteinander, wobei Photonen, die mit den einzelnen Qubits gekoppelt sind, als Mittler eingesetzt werden. „Nachdem die Verschränkung steht, erzeugt nun jedes Modul ein kontrolliertes Z-Quantengatter (CZ) zwischen seinem Netzwerk- und Schaltkreis-Qubit„, so die Forscher:innen.
Durch die Verschränkung beider Module wird das Quantengatter sozusagen „teleportiert“, was bedeutet, dass die Rechenoperationen der Qubits in beiden Modulen effektiv im gleichen Quantengatter ablaufen. Es entsteht so quasi ein einzelner, vollständig verknüpfter Quantencomputer, der aus mehreren Modulen besteht.
Sind modulare Quantencomputer die Zukunft?
Um zu zeigen, dass die beiden Quantenmodule tatsächlich miteinander rechneten, ließen die Forscher:innen den Modulrechner einen Quantenalgorithmus ausführen. Dabei handelte es sich um einen sogenannten Grover-Algorithmus, mit dem ein bestimmter Eintrag in einer nicht sortierten Datenbank gefunden werden soll. Eine solche Aufgabe kann durch Quantencomputer typischerweise wesentlich schneller erledigt werden als durch ihre klassischen Entsprechungen.
„Unseres Wissens nach repräsentiert dies die erste Ausführung eines Algorithmus auf einem verteilten Quantencomputer. Frühere Experimente der Quantenteleportation haben bereits Quantenzustände zwischen physikalisch getrennten Systemen ausgetauscht. Aber in unserer Studie haben wir die Quantenteleportation genutzt, um eine echte Interaktion zwischen diesen getrennten Modulen zu erzeugen„, erläutert Main.
Die Forscher:innen gehen davon aus, mit verteiltem Rechnen den Weg zu großen und stabilen Quantencomputern ebnen zu können. „Unser Experiment demonstriert, dass das über ein Netzwerk verteilte Verarbeiten von Quanteninformationen auch mit heutiger Technik schon machbar ist„, fasst David Lucas von der University of Oxford zusammen. Lucas ist der Seniorautor des entsprechenden Papers. Modulares Quantencomputing könnte auch die Basis für ein Quanten-Internet bilden.
