Fünf Kriterien für einen Quantenrechner

| Autor / Redakteur: Dr. Anna-Lena Gutberlet / Dr. Anna-Lena Gutberlet

Prof. David DiVincenzo gilt als Pionier im Bereich Quanteninformation. Mit seinem Namen ist unter anderem die Entwicklung von Kriterien verbunden, die ein Quantencomputer erfüllen muss, die so genannten „DiVincenco criteria“.
Prof. David DiVincenzo gilt als Pionier im Bereich Quanteninformation. Mit seinem Namen ist unter anderem die Entwicklung von Kriterien verbunden, die ein Quantencomputer erfüllen muss, die so genannten „DiVincenco criteria“. (Bild: Forschungszentrum Jülich)

Das Rennen um den ersten Quantencomputer ist längst angelaufen. Mit dabei sind natürlich Größen wie Microsoft, Google oder IBM sowie zahlreiche Universitäten und Forschungseinrichtungen. Es gibt eine Vielzahl an Ansätzen, dieses Ziel zu verwirklichen.

Quantensysteme können beispielsweise durch Photonen, Ionen oder Molekülen realisiert werden. Mithilfe integrierter Bauteile wie Atom- und Ionenfallen, Wellenleitern oder optomechanischen Elementen werden einzelne Quantensysteme kontrolliert.

Ein Pionier in der Quanteninformation ist David DiVincenzo, Professor für Theoretische Physik an der RWTH Aachen. 1996 hat er, als er noch am Thomas Watson Research Center von IBM tätig war, 5 Kriterien zusammengefasst, die ein Quantencomputer erfüllen muss (die sog. DiVincenzo-Kriterien):

  • 1. Das System besteht aus einem skalierbaren System gut charakterisierter Qubits.
  • 2. Es muss möglich sein, die Qubits in einen definierten Anfangszustand zu versetzten
  • 3. Ein universelles Set elementarer Quantengatter kann ausgeführt werden.
  • 4. Einzelne Qubits (zumindest eines) können gemessen werden.
  • 5. Die Kohärenzzeit des Systems ist wesentlich länger als die Operationszeit eines Gatters.

Alle fünf Anforderungen seien heute bereits qualitativ erfüllt. Es gebe sogar einige physikalische Verkörperungen von Qubits, die alle fünf Kriterien gleichzeitig erfüllen, z.B. Ionenfallen, supraleitende Qubits oder Elektronen in Quantendots.

Quanten-Computing mit Licht, Ionen und Supraleitern

Aufgrund ihrer Vorzüge sind auf Photonen basierende Qubtis ein vielversprechender Kandidat für die Realisierung eines Quantencomputers. Verschränkte Photonen sind schnell, sehr stabil und besitzen eine lange Kohärenzzeit. Die Qubits werden häufig durch die Polarisation der Photonen realisiert, welche sich leicht mit optischen Elementen (z.B. Wellenplatten) einstellen lässt. Die Schwingungsrichtungen des elektromagnetischen Feldes, horizontal und vertikal, entsprechen den Zuständen 0 und 1 des Qubits, natürlich ist auch jede Überlagerung dieser Zustände möglich.

Andere Möglichkeiten, um Qubits zu implementierten sind zum Beispiel die Anzahl der Photonen, ihr Weg oder ihre Ankunftszeit. Ein weiterer Vorteil: Informations­verarbeitung und Datenübertragung über Glasfasern ließen sich gut verbinden. Nach dem heutigen Stand der Technik, sind verschränkende Operationen zwischen mehreren Qubits mit hoher Güte durchzuführen. Die Komplexität der realisierbaren Schaltkreise ist dennoch limitiert. Ein Grund hierfür ist, dass Photonen kaum mit ihrer Umgebung wechselwirken: Dadurch wird eine aufwendige Isolierung zwar unnötig, es ist aber schwierig, verschiedene Qubits miteinander zu koppeln, was für Berechnungen auf einem Quantencomputer nötig ist. Eine weitere Herausforderung für die Zukunft ist die Realisierung von Speichermöglichkeiten für photonische Qubits.

Einem internationalen Forscherteam unter Führung der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster und des Karlsruher Instituts für Technologie ist es erstmals gelungen, einen vollständigen quantenoptischen Aufbau auf einem Chip zu platzieren. Dazu verwendeten sie Kohlenstoff-Nanoröhren als Einzelphotonenquellen, supraleitende Nanodrähte als Detektoren sowie nanophotonische Wellenleiter. Jeweils eine Einzelphotonenquelle und zwei Detektoren wurden mit einem Wellenleiter verbunden. Der Aufbau wurde mit flüssigem Helium gekühlt, um einzelne Lichtquanten zählen zu können. Die Arbeit der Wissenschaftler ist allerdings Grundlagenforschung. In den kommenden Jahren sind wichtige Herausforderungen, wie bessere Quellen, Detektoren und Speichermöglichkeiten zu meistern, bevor komplexe Schaltkreise aus vielen Qubits realisiert werden können.

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