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Überlagerte Zustände: Durchbruch bei Quantenrechnern erreicht

| Autor / Redakteur: Dr. Richard Kölbl / Michael Eckstein

Dank eines neuartigen, monomolekularen Hochtemperatur-Supraleiters kann ein neuartiger Quantenrechner eine signifikant höhere Anzahl verketteter Rechenoperationen durchführen, als dies bisher möglich war. Allerdings ist der Weg bis hin zu komplexen Berechnungen, etwa für Sicherheits-Zertifikate, noch sehr weit.

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Monomolekularer Chip: Dank Supraleiter endlich mehr verkettete Rechenoperationen.
Monomolekularer Chip: Dank Supraleiter endlich mehr verkettete Rechenoperationen.
(Bild: gemeinfrei / CC0 )

Bisher realisierte Quantencomputer konnten nur mit 7 bis 14 Qubits rechnen, also einer recht überschaubaren Zahl verschränkter Zustände. Der Programmieraufwand für so einfache Rechenoperationen wie eine Primfaktorzerlegung ist dabei recht hoch, sodass an Verkettungen einfacher Operationen bisher nicht zu denken war. Das grundsätzliche Problem bei Quantencomputern ist, sehr vereinfacht ausgedrückt, die Dekohärenz von überlagerten Zuständen. Dabei wechselwirken kohärente (im AND-Zustand befindliche bzw. überlagerte) Quantenzustände mit der Umwelt. Solche Wechselwirkungen sind Messungen ebenso wie der Beschuss mit Partikeln, Interferenz mit elektromagnetischen Wellen und dergleichen.

Das Gedankenexperiment von Schrödingers Katze kann dieses Problem illustrieren – auch wenn dies in der alltäglichen Erfahrung aus diversen Gründen nicht nachvollziehbar ist: Es beschreibt eine Katze, die in einem völlig geschlossenen Kasten zusammen mit einer Apparatur eingesperrt ist, die irgendwann – von außen nicht beeinflussbar – ein tödliches Gas freisetzt. Solange der Kasten verschlossen ist, sind beide Zustände – Katze lebendig oder tot – überlagert. Es gibt keine Möglichkeit zu entscheiden, welcher zu einem gegebenen Zeitpunkt zutrifft. Das macht erst die Messung, nämlich das Öffnen, wodurch der überlagerte Zustand dekohärent wird und einer der beiden zutage tritt (OR-Zustand; hoffentlich der, dass die Mieze noch lebt). Dieses Problem führt bei einer größeren Anzahl von Quantenzuständen dazu, dass sie sehr schnell instabil werden.

Kriterien für stabilen Quantenrechner

Der bekannte Quantentheorektiker David DiVicenzo hat mehrere Kriterien festgelegt, die für einen stabilen und fehlerarmen Quantenrechner gelten müssen. Eines davon lautet: Alle Qubits müssen in einen wohldefinierten Anfangszustand gebracht werden können und insofern stabil bleiben, damit die Rechenoperation durchgeführt werden kann.

Diesem Ziel ist nun ein Konsortium aus Forschern und beteiligten Firmen einen Schritt näher gekommen. Mittels eines neuentwickelten Chips aus einer nahezu monomolekularen Schicht eines keramischen Hochtemperatur-Supraleiters ist es möglich, wesentlich mehr Quantenzustände zu verschränken und über einen Laser für eine ausreichende Zeit stabil zu halten. Bisherige Ergebnisse des neuen Rechencores basierten auf bis zu 103 Qubits, doch scheinen bis zu 105 Qubits möglich. Aktuell steigen Fehlerrate und Instabilität ab 103 Qubits jedoch noch rasant an. Mit einer Trefferquote von 78 % (Standardabweichung 2,7 %) gelang es allerdings, drei und vier Rechenoperationen miteinander zu verketten und so bis in den niedrigeren Hunderterraum zu rechnen.

QPython: Neue Hochsprache für das Kompartimentieren von Qubits

Der Clou der neuen Lösung besteht darin, den schon dekohärenten Quantenzustand erst in dem Moment zu erzeugen, in dem die Operation stattfindet. Um auf Schrödingers Katze zurückzukommen: Dies entspricht in etwa dem Vorgang, als könne man vor dem Öffnen der Kiste bereits den Zustand festlegen, den man nach dem Öffnen vorfinden möchte. Dazu werden die Qubits kompartimentiert, wobei die Lösung jeder Teiloperation den Faktor in der nächstfolgenden Rechenoperation darstellt. Quasi gleichzeitig werden damit die einzelnen Teilschritte berechnet (tatsächlich sind es etwa 20 Attosekunden, die dabei vergehen und während dieser Zeitspanne wird der Quantenzustand mit einem Laser stabil gehalten).

Um diese Kompartimentierung der Qubits durchzuführen, wurde u.a von der Firma Mixed Mode eine neue Hochsprache entwickelt, die gleichzeitig die Programmierung von Quantencomputern wesentlich vereinfachen soll. Sie ist an Python angelehnt und heißt daher QPython. Zwar ist es noch nicht möglich, eine Operation wie 2 * (3 + 50) in einer Zeile zu programmieren (siehe Beispiel). Aber es ist nur eine Frage der Zeit, bis der Interpreter von QPython dazu in der Lage sein wird. In den bisher am Entwicklungsquantenrechner ISQANT in Island durchgeführten Experimenten mit dem neuen Rechencore müssen zusätzlich zu den Teiloperationen noch der Zahlenraum sowie die Ordnungszahl (hier 3) der Operation angegeben werden.

1    dim qspace 200
2    dim qorder 3
3    def qadd(arg1, arg2, arg3)
4       qx = arg2 + arg3
5       qres = arg1 * qx
6       qret

Das obige Beispiel zeigt eine Anweisung in QPython. qspace bezeichnet dabei den maximalen Zahlenraum, qorder die Anzahl der verketteten Operationen. Die Zeilen 4 bis 6 entsprechen den Kompartimenten (Ordnungszahl 3), in die die Qubits eingeteilt werden. Sie werden innerhalb von ca. 20 Attosekunden sukzessive von 4 nach 6 berechnet.

Dekohärenten Quantenzustand genau rechtzeitig erzeugen

Bei den Entwicklern von QPython hat sich das Präfix q- eingebürgert, obwohl es syntaktisch nicht immer notwendig ist. Durch die Definition der Operation wird ein dekohärenter Quantenzustand erzeugt und gewissermaßen eingefroren, sodass er gemessen werden kann bzw. das Ergebnis ausgegeben. Solche eingefrorenen Quantenzustände werden als Quanten-Aporie bezeichnet (nach der bekannten Aporie des Zenon, wonach Achilles eine Schildkröte rechnerisch nie einholen kann, wenn sie einen infinitesimalen Vorsprung hat). Die erste Version von QPython wird demnächst veröffentlicht werden.

Zwar steigen mit größeren Zahlenräumen aktuell die Fehlerraten wegen überproportional zunehmender Instabilitäten an, aber Gabbi A. Einskisson, der Direktor des Forschungsquantenrechners ISQANT, ist überzeugt, dass sich durch kontinuierliche Verbesserung vor allem des Lasers die Stabilität der Zustände noch erhöhen lässt. Island mit seinem großen Potential an regenerativen Energiequellen und quasi frei zur Verfügung stehendem Kühlungspotential bietet den idealen Standort für solche Rechner: Mussten frühere Demonstratoren noch mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden, reicht bei diesem Hochtemperatur-Supraleiter - zumindest in der Theorie - allein normales Gletschereis.

Nachtrag 2. April: Wir bitten die Leser, das Datum der Veröffentlichung zu beachten. ;)

* Dr. Richard Kölbl ist Geschäftsführer von Mixed Mode in Gräfelfing bei München

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