Qudits: Die wahre Zukunft des Quantum Computing?

| Redakteur: Dr. Anna-Lena Gutberlet

Das Zwei-Qudit-Gate der Purdue-Forscher maximiert die Verschränkung von Photonen, so dass Quanteninformationen vorhersehbarer und zuverlässiger manipuliert werden können.
Das Zwei-Qudit-Gate der Purdue-Forscher maximiert die Verschränkung von Photonen, so dass Quanteninformationen vorhersehbarer und zuverlässiger manipuliert werden können. (Bild: Purdue University / Allison Rice)

Während für klassische Computer das binäre System ideal geeignet ist, sind Quantenrechner nicht darauf beschränkt. Mehrere Forschungsarbeiten zeigen die Möglichkeiten von Qudits – einem Qubit mit d Zuständen – welche in Zukunft leistungsfähigere Quantencomputer ermöglichen könnten.

Klassische Computer schalten Transistoren ein oder aus, um Daten als Einsen und Nullen zu symbolisieren. Im Gegensatz dazu verwenden Quantencomputer Quantenbits oder Qubits, die in einem Zustand der Überlagerung gleichzeitig 1 und 0 darstellen können. Während „an“ und „aus“, für klassische Systeme ideal geeignet ist, und diese sich durch Hinzufügen von Bits relativ einfach skalieren lassen, ist das für Quantensysteme nicht der Fall.

Anfang dieses Jahres hatte IBM mit dem Q-System nach eigenen Angaben erstmals einen kommerziell nutzbaren Quantencomputer mit 20 Qubit präsentiert. Aber: Erst mit 50 Qubits wäre ein Quantencomputer schneller als herkömmliche Supercomputer.

Um mit Quantencomputern rechnen zu können, müsse die Qubits verschränkt bzw. überlagert sein. Dieser Zustand ist jedoch sehr empfindlich und wird mit jedem zusätzlichen Qubit schwerer zu erreichen und zu erhalten, denn jedes zusätzliche Qubit erhöht die Dekohärenz.

Verschiedene Forschergruppen gehen deswegen einen anderen Weg: Anstatt die Anzahl der Qubits zu erhöhen, erhöhen sie die Anzahl der Zustände, die die Qubits einnehmen können. Sie arbeiten mit sogenannten Qudits, also Quantenbits mit d Zuständen. Ein Qutrit kann beispielsweise die Zustände 0, 1 und 2 sowie alle Überlagerungen gleichzeitig annehmen. Mehr Zustände bedeuten, dass mehr Daten verschlüsselt und verarbeitet werden können.

Kompakte und einfache Erzeugung hochdimensionaler Quantenzustände

Wissenschaftler der INRS University präsentierten bereits 2017 einen Mikrochip mit zwei verschränkten Qudits mit jeweils 10 Zuständen. Das entspricht insgesamt 100 Dimensionen, mehr als das, was sechs verschränkte Qubits erzeugen könnten.

Forschern der Purdue Universität gelang es kürzlich, ein Quanten-Gatter – diese sind vergleichbar mit elektronischen Gattern, stellen jedoch eine elementare physikalische Manipulation und keinen technischen Baustein dar – aus Qudits herzustellen.

Um ihr Qudit-Quantengatter zu erstellen, verschränkte das Team von Purdue zwei Photonen jeweils in den Bereichen Frequenz und Zeit und erhielt so vier Qudits; das fertige Gatter hatte die äquivalente Rechenleistung von 20 Qubits. Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Photonen ist, dass sich diese nicht leicht von ihrer Umgebung stören lassen und die Zustände somit relativ stabil sind.

„Dieses Gatter ermöglicht es uns, Informationen auf vorhersehbare und deterministische Weise zu manipulieren, was bedeutet, dass es die für bestimmte Aufgaben der Quanteninformationsverarbeitung notwendigen Operationen durchführen könnte“, sagte Andrew Weiner, Professor of Electrical and Computer Engineering an der Purdue Universität.

Als nächstes will das Team das Gatter für die Durchführung von Quantenalgorithmen in Anwendungen wie quantenmechanischem Lernen oder der Simulation von Molekülen sowie für Quantenkommunikationsaufgaben wie hochdimensionale Quantenteleportation nutzen.

Forscher teleportieren erstmals Qutrit

Und genau das ist laut Scientific American zwei Forscherteams unabhängig voneinander gelungen: Das Forscherteam um den chinesische Physiker Guang-Can Guo von der University of Science and Technology of China (USTC) berichteten am 28. April in dem Preprint-Paper „Experimental multi-level quantum teleportation“ über ihre Ergebnisse – eine per Peer-Review begutachtete Publikation in einem entsprechenden Magazin stehe noch aus.

Mitte Juni folgte dann der Artikel von einem Forscherteam um den österreichischen Experimentalphysiker Anton Zeilinger von der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und Jian-Wei Pan vom USTC welcher am 15. August in den Physical Review Letters veröffentlicht wurden. Aufgrund dieses engen Zeitrahmens und der Bedeutung der Ergebnisse konkurriert jedes Team nun um Anerkennung und kritisiert die Arbeit des anderen, schreibt Scientific American.

Aus diesen beiden Proof-of-Concept-Experimenten geht hervor, dass Qutrits, die mehr Informationen transportieren können und einen höheren Rauschwiderstand als Quantenbits aufweisen, in zukünftigen Quantennetzwerken eingesetzt werden können. Ob Qutrits oder Qudits wirklich für praktische Anwendungen geeignet sind, wird sich erst in einigen Jahren zeigen.

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