Vergesst Qubits: Forscher bauen Quantencomputer mit Qudits

Quantencomputer gelten als Zukunft der Computertechnologie. Statt auf wie herkömmliche Computer auf Bits setzen die Quanten-Varianten auf sogenannte Qubits. Weiterhin benötigen Quantencomputer spezielle Logic Gates, die den Informationsfluss im System regulieren. Forscher der Purdue University haben kürzlich Quantengates vorgestellt, die auf sogenannte Qudits statt auf Qubits setzen. Es handelt sich um die ersten Gates dieser Art. Die Entwicklung könnte sich als maßgeblich auf dem Weg in die Ära der Quantencomputer erweisen.

Von Bits und Qubits

Bits sind vereinfacht gesprochen die Bausteine für herkömmliche Computersysteme. Jedes Bit speichert entweder eine 0 oder eine 1 – in langen Sequenzen können so auch große Mengen an Informationen codiert werden. Qubits wiederum sind die Quantenvariante der Bits – und können wesentlich mehr Informationen codieren und so die Leistung eines Computers deutlich erhöhen.

Das Problem mit Qubits indes ist, dass sie sehr instabil sind. Funktionierende und stabile Quantencomputer zu entwickeln stellt die Forschung daher vor Probleme. Der erste kommerzielle Quantencomputer wurde von IBM vorgestellt und enthält lediglich 20 Qubits. Somit ist der IBM-Quantencomputer herkömmlichen Systemen deutlich unterlegen.

Qudits: Der nächste Schritt?

Seit mehreren Jahren arbeiten Forscher daher daran, die Qubits durch anderen Quantenbausteine zu ersetzen: Qudits. Diese sind im Gegensatz zu Qubits nicht nur auf zwei Zustände limitiert, sondern können beispielsweise auch in den Zuständen 0,1 und 2 gleichzeitig existieren. Auch mehr Zustände sind möglich, und mit jedem zusätzlichen Zustand vergrößert sich die Leistungsfähigkeit der Qudits. Mit anderen Worten: Für die Codierung der gleichen Menge Information werden weniger Qudits als Qubits benötigt.

Das Team der Purdue University hat für die Entwicklung der Qudit-Quantengates vier Qudits in zwei verschränkten Photonen und zwei Domains codiert: Frequenz und Zeit. DAs Team entschied sich für Photonen, da diese nicht leicht von ihrer Umgebung beeinflusst werden können. Die Nutzung mehrerer Domains indes ermöglicht eine bessere Verschränkung mit weniger Photonen.

„ Photons are expensive in the quantum sense because they’re hard to generate and control. so it’s ideal to pack as much information as possible into each photon„, erklärt Poolad Imany, der an der Studie beteiligt war.

Das fertig entwickelte Quantengate verfügt über die gleiche Rechenpower wie 20 Qubits, obwohl nur vier Qudits verwendet werden. Die Nutzung der Photonen macht das Ganze außerdem stabiler. Natürlich ist in dem Bereich noch viel Forschung nötig, aber die Qudits-Quantengates sind vielversprechende Entwicklungen und ein großer Schritt auf dem Weg zu nutzbaren Quantencomputern.

via Purdue University