Die Entwicklung von Quantencomputern schreitet voran. Ein Problem dabei war bisher, dass die existierenden Prototypen auf eine bestimmte Aufgabe festgelegt waren. Damit ist nun Schluss: Einem Team der University of Maryland haben zum ersten Mal einen Quantencomputer entwickelt, der frei programmierbar ist. Die Ionen dieses Teilchenrechners lassen sich mittels eines Lasers rekonfigurieren, was dem Computer erlaubt, unterschiedliche Aufgaben zu bearbeiten. Getestet wurde dies bereits mit drei verschiedenen Algorithmen. Die Forscher haben so einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung eines praktisch einsetzbaren Quantencomputers geleistet.


Quantencomputer - D-Wave Google und NASA
Quantencomputer von Google

Flexibel dank Laserstrahlen

Quantencomputer gelten als Zukunft des Computing. Leider sind sie bisher darauf beschränkt, eine bestimmte Rechenoperation durchzuführen. Durch ihren Aufbau wird festgelegt, ob sie sich mit Primfaktorzerlegung beschäftigen oder mittels Algorithmen die spontane Entstehung von Teilchen aus dem Vakuum nachstellen. Im Bereich der Quantencomputer wurden bereits erstaunliche Fortschritte gemacht, aber das Problem der fixen Programmierung konnte bisher nicht gelöst werden.

Ein Team rund um Shantanu Debnath von der University of Maryland haben dies nun geändert. Ihr Quantencomputer lässt sich ohne aufwändige Änderungen an der Hardware so umprogrammieren, dass er unterschiedliche Aufgaben wahrnehmen kann. Das Herz des Quantencomputers des Teams bilden fünf Ytterbium-Ionen, die im elektromagnetischen Feld einer sogenannten Paul-Falle gefangen sind. Diese Ionen stellen die sogenannten Qubits dar, die Recheneinheit jedes Quantencomputers. Das Besondere: Die Qubits können durch Laserimpulse variabel miteinander verbunden werden und so unterschiedliche Logic Gates bilden. „Indem wir einen Algorithmus auf eine Serie von Laserpulsen herunterbrechen, die die entsprechenden Ionen manipulieren, können wir die Verdrahtung zwischen diesen Qubits von außen rekonfigurieren. Keine andere Quantencomputer-Architektur hat eine solche Flexibilität„, erläutert Debnath. Die Laserimpulse können die Qubits beliebig miteinander verschränken, was dazu führt, dass sozusagen jeder beliebige Algorithmus umgesetzt werden kann, ohne dass Manipulationen an der Hardware nötig sind.


Computer verarbeitete bereits drei verschiedene Algorithmen

Die Forscher testeten ihren Quantencomputer anhand von drei verschiedenen Algorithmen, die im Quanten-Computing absolut gängig sind. Getestet wurde anhand des Deutsch-Jozsa-, des Bernstein-Vazirani-Algorithmus und der Quanten-Fourier-Transformation. Der Computer absolvierte die Aufgaben recht zuverlässig, wies allerdings noch Ungenauigkeiten auf. Bei der Quanten-Fourier-Transformation lag die Genauigkeit des Systems zwischen 60 und 80 Prozent, die anderen beiden Algorithmen löste der Computer erheblich genauer. Die Fehlerquote liegt nach Ansicht der Forscher an Störrauschen in den Laserstrahlen sowie Beeinflussung der benachbarten Ionen durch die Laserimpulse. Das Team arbeitet nun daran, die Genauigkeit ihres Computers zu erhöhen.

Die Limit der Leistungsfähigkeit des Computers liegt in der Zahl der Ionen. Fünf Ionen ist nahe am Maximum, das in einer der Ionenfallen festgehalten werden kann. Wenn die Forscher die Leistungsfähigkeit des Systems erhöhen wollen, müssten sie mehrere der Fallen einsetzen und einen Weg finden, die verschiedenen Fallen zusammenarbeiten zu lassen. Das Team aus Maryland hat demonstriert, dass es möglich ist, Qubits schnell und ohne Hardwareänderungen umzuprogrammieren und flexibel einzusetzen. Diese Entwicklung stellt einen Meilenstein in der Quantentechnologie dar – bis zu einem voll funktionsfähigen Quantencomputer ist es aber noch ein weiter Weg.

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