Rydberg-Quantencomputer Wie Quantencomputer mittels Rydberg-Atomen praxistauglich werden

Redakteur: Katharina Juschkat

Forschende der Uni Stuttgart wollen bis 2025 einen neuen Quantencomputer auf Basis von Rydberg-Atomen entwickeln, dessen Leistung groß genug wäre, um praxistauglich eingesetzt zu werden.

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Darstellung eines Mehrteilchen-Quantengatters mit gefangenen Rydberg-Atomen. Ein zentrales Qubit kontrolliert den Zustand von mehreren benachbarten Qubits über die starke Wechselwirkung zwischen Rydbergatomen.
Darstellung eines Mehrteilchen-Quantengatters mit gefangenen Rydberg-Atomen. Ein zentrales Qubit kontrolliert den Zustand von mehreren benachbarten Qubits über die starke Wechselwirkung zwischen Rydbergatomen.
(Bild: Celina Brandes, Universität Stuttgart)

Quantencomputer auf dem Weg zur Praxistauglichkeit: In einem neuen Verbundprojekt wollen Forschende bis 2025 einen Demonstrator für einen Rydberg-Quantencomputer realisieren. Quantencomputer auf der Basis von Rydberg-Atomen gelten als vielversprechend, die Leistung groß genug wäre, um praxistauglich eingesetzt zu werden.

Hintergrund

Das Verbundprojekt „Q-Ryd-Demo“ wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit 9 Millionen Euro gefördert, weitere 1,1 Millionen Euro fließen von Seiten der Industriepartner. In dem Projekt arbeiten Forschende aus der Experimentalphysik und der Theoretischen Physik sowie Entwickler aus der Industrie Hand in Hand zusammen.

Prof. Tilman Pfau, der Koordinator des Verbundprojekts, sieht ein hohes Potential von Quantencomputern für Wissenschaft und Wirtschaft in Deutschland. Vor allem bei rechenintensiven Fragestellungen kann der Quantencomputer punkten: „Das ist zum Beispiel bei Simulationen von Molekülverbindungen oder Festkörpern der Fall, etwa um chemische oder biologische Prozesse besser zu berechnen und in Folge neue Materialien oder Verbindungen zu entwickeln“, erklärt Pfau. Weitere Möglichkeiten wäre die Berechnung von perfekt optimierten Verkehrsströmen, Produktionsabläufen oder hoch leistungsfähigen Batterien.

Wie Quantencomputer rechnen

Ähnlich wie ein klassischer Computer führt ein Quantencomputer eine Folge von logischen Rechenschritten – sogenannte Algorithmen – aus. Allerdings tut er dies mit den kleinsten physikalischen Einheiten, sogenannten Quantenbits (kurz Qubits).

Das Besondere an den Qubits: Sie können nicht nur die Zustände 0 und 1 annehmen, sondern auch Überlagerungszustände zwischen 0 und 1. Solche sogenannten Superpositionen sind auch zwischen weit entfernten Qubits möglich, wobei eine Änderung am einen Teilchen auch eine Änderung am anderen bewirkt. Gelingt es, zwei Qubits miteinander zu verschränken, ist ihr gemeinsamer Zustand eine Überlagerung aller Einzelzustände.

Um mit Qubits Rechenoperationen durchführen zu können, muss der Zustand der Superposition und der Verschränkung für viele Qubits über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten werden. Es kommt also darauf an, wie präzise man einzelne Qubits kontrollieren kann und wie gut sich die Anzahl der Qubits hochskalieren lässt.

Was Rydberg-Atome besonders macht

In den letzten drei Jahren konnten auf der Basis von Rydberg-Atomen Kontrolle und Verschränkung in Systemen von mehr als 50 Qubits gezeigt sowie Qubit-Operationen mit einer Fehlerquote von weniger als einem Prozent demonstriert werden.

Dr. Florian Meinert vom 5. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart erklärt die besondere Eignung von Rydberg-Atomen: „Rydberg-Atome sind mehrere tausend Mal größer als normale Atome und können durch ihr locker gebundenes Elektron andere Rydberg-Atome über Distanzen von etwa fünf Mikrometern hinweg ‚fühlen‘ – für Atome sind das gigantische Entfernungen.“

Dabei erfolgt die Anregung besonders „kohärent“, also kontrolliert und frei von Störungen. „Quantengatter aus Rydbergatom-Atomen sind daher ein äußerst vielversprechender Ansatz, deren Leistung sich aus unserer Sicht um die Größenordnungen steigern lässt, die für einen praxistauglichen Quantencomputer erforderlich sind“, so Meinert.

Hochpräzises Lasersystem soll Qubit-Zustände kontrollieren

Um die Kohärenz in einem Qubit-Ensemble über lange Zeit zu halten, setzen die Forschenden auf ein ausgeklügeltes Laser- und Fallensystem, welches es erlauben soll, die Qubit-Zustände 0 und 1 und alle Überlagerungszustände sehr gut zu kontrollieren und zu speichern sowie logische Quantengatter als Grundbausteine der Rechenoperationen zu realisieren.

Derartige Laser gibt es bisher nicht auf dem Markt. Daher ist mit der Münchner Firma Toptica Photonics AG ein Industriepartner in das Grundlagenforschungsprojekt eingebunden, der auf die Entwicklung hochpräziser Lasersysteme spezialisiert ist.

Das „Q-Ryd-Demo“-Projekt

Im Projekt will eine Gruppe Experimentalphysiker mit ihren Experimente zur Steuerung und Kontrolle der Rydberg-Atome den Prozessor des Computers liefern. Forschende der Theoretischen Physik wollen das Programm entwickeln, das die Rechenschritte der Quantenalgorithmen ausführt. Ziel ist es, am Ende der Projektlaufzeit ein Webinterface zu installieren, mit dem sich ein erstes Set an Problemstellungen berechnen lässt.

Außerdem wollen die Forscher die Rechenprozesse optimieren und die Fehlerraten minimieren. Ein weiterer notwendiger Entwicklungsschritt ist das Benchmarking des Quantencomputer-Ergebnisses mit anspruchsvollen Simulationen, die auf klassischen Supercomputern durchgeführt werden.

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