Programmierung auf einem Silizium-Quantenchip

21. Februar 2018, 11:43 Uhr
Der Quantenchip ermöglicht es, einen Algorithmus auszuführen (Bild: TU Delft).
Der Quantenchip ermöglicht es, einen Algorithmus auszuführen (Bild: TU Delft).
Die Quanten-Technologie entwickelt sich rasant. Wissenschaftler können jetzt schon einzelne Qubits mit großer Zuverlässigkeit auswerten. Nach und nach entwickelt sich etwas, das wie ein echter Computer aussieht, aber in der Praxis müssen brauchbare Quantenchips programmierbar sein. Es muss möglich sein, eine selbstgewählte Berechnung durchzuführen. Die Wissenschaftler von QuTech in Delft (Niederlande) haben nun einen programmierbaren Zwei-Qubit-Quantenprozessor auf Siliziumbasis entwickelt und damit zwei Quantenalgorithmen ausgeführt. Der Forschungsbericht wurde in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.

Ein Versprechen

Der Quantencomputer der Zukunft wird im Bereich großer Berechnungen die Spielregeln verändern. Durch Quanten-Superpositionen und die Verschränkung von Quantenbits (Qubits) können Rechenaufgaben parallel durchgeführt werden. Damit sind derzeit in der Praxis undurchführbare Berechnungen, etwa das Faktorisieren großer Primzahlen und das Durchsuchen großer unsortierter Listen in absehbarer Zukunft möglich, meint Professor Lieven Vandersypen.

Programmierbare Berechnungen

In den letzten Jahren ist es Wissenschaftlern gelungen, immer bessere Qubits zu realisieren. Diese einzelnen Qubits können nun mit einer so hohen Zuverlässigkeit geprüft und gemessen werden, dass eine praktische Programmierung möglich wird. Um universelle Quantenberechnungen ausführen zu können, sind Operationen erforderlich, die individuelle Qubits steuern und auch solche, die mehrere Qubits miteinander verschränken. Diese Operationen müssen so verfügbar sein, dass sie einen Algorithmus in einer selbstgewählten Reihenfolge ausführen.

Bekanntes Material

Die Wissenschaftler des Lieven-Vandersypen-Teams von QuTech und dem Kavli-Institut für Nanowissenschaften in Delft und ihre an der Forschung beteiligten Kollegen der University of Wisconsin setzen auf Qubits in Siliziumchips. Diese Qubits werden erzeugt, indem einzelne Elektronen mit einer gesteuerten elektrischen Spannung „eingekapselt“ werden. Silizium ist dabei ein vielversprechender Werkstoff, denn er ist von der aktuellen Computerindustrie vollständig durchentwickelt und verursacht nur wenige Störungen der Qubits. Silizium-Quantenchips sind klassischen Computerchips sehr ähnlich und die Qubits können vollständig elektronisch gesteuert werden.

Münzen werfen

Dank des zuverlässigen Betriebs des Zwei-Qubit-Quantenchips konnten die Wissenschaftler erstmals Quantenalgorithmen programmieren und auszuführen. Der erste Algorithmus, der klassische Deutsch-Jozsa-Algorithmus, überprüft, ob eine Funktion konstant oder balanciert ist. Sie führten auch den so genannten „Grover-Search-Algorithmus“ aus, der unsortierte Datenbanken sehr schnell durchsuchen kann.

Zukunftsmusik

Dieses Beispiel eines programmierbaren Quantenchips in Siliziumtechnologie mit zuverlässigen Qubits ist ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu zuverlässigen und skalierbaren Quantenberechnungen. Die Wissenschaftler zeigten, dass die Qubits steuerbar sind, sich mit hoher Zuverlässigkeit verschränken lassen und dass Operationen zu einem Quantenalgorithmus zusammengefügt werden können.
 
Quelle: TU Delft
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