Robuste Rechenoperationen für den Quantencomputer

Physik-News vom 10.01.2020


Neues Verfahren zur Steuerung von Qubits mit Mikrowellenpulsen reduziert Fehlerquote und erhöht Effizienz.

Der Quantencomputer gehört zu den faszinierendsten Zukunftsversprechen der Quantentechnologie. Mit seiner erheblich größeren Rechenleistung soll er Aufgaben lösen können, an denen heutige Computer scheitern und es so beispielsweise erlauben, neue Materialien und Wirkstoffe zu verstehen und zu erfinden oder die Grenzen von Verschlüsselungsverfahren auszuloten.


Innenleben der Apparatur, in der die Ionen gefangen werden. Der Einsatz zeigt ein Bild von zwei einzelnen 9Be+ Ionen, mit denen die Rechenoperationen durchgeführt wurden.

Publikation:


G. Zarantonello, H. Hahn, J. Morgner, M. Schulte, A. Bautista-Salvador, R.F. Werner, K. Hammerer, C. Ospelkaus
Robust and Resource-Efficient Microwave Near-Field Entangling 9Be+ Gate
Phys. Rev. Lett. 123, 260503 (2019)

DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.260503



Analog zum Bit im klassischen Computer, bezeichnen sogenannte Quanten-Bits oder Qubits die Speichereinheit in Quantencomputern. Im Moment sind zwei experimentelle Ansätze zu deren Realisierung am weitesten fortgeschritten: Supraleitende Schaltkreise und gefangene Ionen. Erstere speichern die Quanteninformation in elektronischen Bauelementen, letztere in unterschiedlichen Energieniveaus einzelner Atome. In supraleitenden Schaltkreisen konnte vor kurzem erstmals experimentell gezeigt werden, dass ein Quantencomputer hochspezialisierte Aufgaben bearbeiten kann, an denen ein klassischer Computer scheitert. Ionen zeichnen sich hingegen dadurch aus, dass die Fehlerrate der Rechenoperationen bisher immer wesentlich geringer war als bei jedem anderen Ansatz.

Forschende der Leibniz Universität Hannover und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt haben nun ein neues Ionen-Verfahren vorgestellt, welches die Fehlerrate weiter reduziert und so deutlich schneller verlässliche Rechenergebnisse liefert. Ihre Arbeit haben sie in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins Physical Review Letters veröffentlicht.

Das Verfahren folgt einem Ansatz, bei dem die Ionen mit Hilfe elektrischer Felder oberhalb einer Chip-Struktur in einem Vakuum festgehalten werden. Die Rechenoperationen auf den Qubits werden durchgeführt, indem Mikrowellensignale durch spezielle, in die Chip-Struktur eingelassene Leiterschleifen geschickt werden. Üblicherweise werden zur Durchführung von Rechenoperationen extrem genau kontrollierte Laserstrahlen verwendet. Die Verwendung von Mikrowellen hat den Vorteil, dass die Mikrowellentechnologie sehr weit entwickelt ist – vom Flugzeug bis zum Mobiltelefon ist sie allgegenwärtig – und dass es vergleichsweise einfach ist, diese Felder zu kontrollieren.

Die Forscherinnen und Forscher haben jetzt untersucht, wie man die Rechenoperationen auf den Qubits am effizientesten durchführt. Das ist eine Frage, die auch in heutigen Computerchips von großer Relevanz ist, denn am Ende entscheidet die Energie, die pro Rechenoperation benötigt wird, darüber, wie viele davon pro Sekunde durchgeführt werden können, bevor der Chip zu heiß wird. Im Falle des Ionen-Mikrowellen-Quantencomputers konnten die Forschenden zeigen, dass speziell geformte Mikrowellenpulse, bei denen das Mikrowellenfeld langsam auf- und wieder abgebaut wird, bei gleichem Energieeinsatz trotz Vorliegen von Störquellen einhundertmal niedrigere Fehlerraten aufweisen als eine Rechenoperation, bei denen die Felder einfach an- und ausgeknipst werden.

Das Team hatte dazu zusätzliche, genau kontrollierte Störquellen in das Experiment eingebracht und die Rechenfehler für unterschiedlich starke Störquellen und für beide Pulsformen ermittelt. „Für unser Experiment hat das einen riesigen Unterschied gemacht“, so Giorgio Zarantonello, einer der Autoren der Studie. „Früher mussten wir für gute Rechenoperationen lange probieren und optimieren, bis wir einen Moment erwischten, in dem die Störquellen sehr klein waren. Jetzt können wir unser Experiment einfach einschalten, und es funktioniert!“.

Nachdem die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nun zeigen konnten, das elementare Rechenoperationen mit niedrigen Fehlerraten realisiert werden können, wollen sie dies auch für komplexere Aufgaben erreichen. Ihr Ziel ist, deutlich weniger als einen Fehler alle zehntausend Operationen zu erreichen. Erst dann ist es sinnvoll, die Anwendung auf viele Qubits zu erweitern. Hierzu haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bereits ein patentiertes Herstellungsverfahren entwickelt, das es ermöglicht, viele Qubits in einer Chipstruktur zu speichern und zu manipulieren.


Die News der letzten 14 Tage 11 Meldungen

28.11.2022
Elektrodynamik | Festkörperphysik
Wie man Materialien durchschießt, ohne etwas kaputt zu machen
Wenn man geladene Teilchen durch ultradünne Materialschichten schießt, entstehen manchmal spektakuläre Mikro-Explosionen, manchmal bleibt das Material fast unversehrt.
25.11.2022
Sonnensysteme | Astrophysik
Im dynamischen Netz der Sonnenkorona
In der mittleren Korona der Sonne entdeckt ein Forscherteam netzartige, dynamische Plasmastrukturen – und einen wichtigen Hinweis auf den Antrieb des Sonnenwindes.
25.11.2022
Exoplaneten | Astrophysik
Rätselraten um einen jungen Exo-Gasriesen
Eine Foschergruppe hat einen Super-Jupiter um den sonnenähnlichen Stern HD 114082 entdeckt, der mit einem Alter von 15 Millionen Jahren der jüngste Exoplanet seiner Art ist.
24.11.2022
Teilchenphysik | Festkörperphysik | Quantenphysik
Spin-Korrelation zwischen gepaarten Elektronen nachgewiesen
Physiker haben erstmals experimentell belegt, dass es eine negative Korrelation gibt zwischen den beiden Spins eines verschränkten Elektronenpaares aus einem Supraleiter.
23.11.2022
Festkörperphysik | Quantenoptik
Lichtstrahlen beim Erlöschen zusehen
Ein Forschungsteam konnte erstmals messen, wie das Licht eines Leuchtzentrums in einem Nanodraht nach dessen Anregung durch einen Röntgenpuls abklingt.
22.11.2022
Exoplaneten | Teleskope
Weltraumteleskop JWST: Neues von den Atmospären von Exoplaneten
Beobachtungen des Exoplaneten WASP-39b mit dem James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) haben eine Fülle von Informationen über die Atmosphäre des Planeten geliefert.
21.11.2022
Galaxien | Schwarze Löcher | Teleskope
Schärfster Blick in den Kern eines Quasars
Eine internationale Gruppe von Wissenschaftlern präsentiert neue Beobachtungen des ersten jemals identifizierten Quasars.
22.11.2022
Festkörperphysik | Physikdidaktik
Chemielehrbücher: Es gibt keine Kohlensäure - Falsch!
Die Existenz von Kohlensäure war in der Wissenschaft lange umstritten: theoretisch existent, praktisch kaum nachweisbar, denn an der Erdoberfläche zerfällt die Verbindung.
21.11.2022
Quantenphysik
Ein Quant als Winkel
Die Feinstrukturkonstante ist eine der wichtigsten Naturkonstanten überhaupt: In Wien fand man nun eine bemerkenswerte neue Art, sie zu messen – nämlich als Drehwinkel.
21.11.2022
Akustik | Quantenoptik
Akustische Quantentechnologie: Lichtquanten mit Höchstgeschwindigkeit sortiert
Einem deutsch-spanischen Forscherteam ist es gelungen einzelne Lichtquanten mit höchster Präzision zu kontrollieren.

Mehr zu den Themen

13.08.2019
Quantenphysik | Quantencomputer

Schrödingers Katze mit 20 Qubits
Tot oder lebendig, linksdrehend oder rechtsdrehend – in der Quantenwelt können Teilchen wie die berühmte Analogie von Schrödingers Katze all das gleichzeitig sein.
10.07.2019
Quantencomputer

Knobeln auf dem Quanten-Schachbrett
Physiker der Universität Innsbruck schlagen ein neues Modell vor, mit dem die Überlegenheit von Quantencomputern gegenüber klassischen Supercomputern bei der Lösung von Optimierungsaufgaben gezeigt werden könnte.
26.06.2019
Quantencomputer

Eine Brücke zur Quantenwelt
Forschende am IST Austria entwickeln Prototypen einer Schnittstelle, die in Zukunft Quantencomputer miteinander verbinden könnte.
24.10.2019
Quantencomputer

Abhörsichere Kommunikation zwischen Quantencomputern realisiert: Das Quanteninternet kommt in Reichweite
Einem internationalen Team, angeführt von Physikern der Technischen Universität München (TUM), ist es erstmals gelungen, eine sichere Quantenkommunikation im Mikrowellenbereich in einem lokalen Quanten-Netzwerk experimentell zu realisieren.
03.06.2019
Festkörperphysik | Optik | Quantencomputer

Mit Licht kontrollierte neuartige Supraleiter könnten zukünftige Quantencomputer ermöglichen
Eine der zentralen Herausforderungen der Physik ist die Kontrolle der Quanteneigenschaften von Materialien.
02.11.2022
Quantencomputer

Neue Art von universellen Quantencomputern
Die Rechenleistung von Quantencomputern ist aktuell noch sehr gering, sie zu steigern erweist sich derzeit noch als große Herausforderung.
02.03.2020
Quantencomputer

Mit der Leerstelle zum Quantenbit
Physiker aus Würzburg haben zum ersten Mal Spinzentren experimentell in zweidimensionalen Materialien beobachtet.
10.02.2020
Festkörperphysik | Quantencomputer

Quantentechnologien: Neue Einblicke in supraleitende Vorgänge
Supraleiter gelten als vielversprechende Bauteile für Quantencomputer, funktionieren bisher jedoch nur bei sehr niedrigen Temperaturen.
14.10.2022
Atomphysik | Quantencomputer

Spektroskopisch erfassbare Quantenbits
Moleküle werden für Quantencomputer interessant, wenn sie einzeln ansteuerbare, miteinander wechselwirkende Quantenbit-Zentren aufweisen.
15.05.2019
Quantencomputer

Quanten-Cloud-Computing mit Selbstcheck
Mit einem Quanten-Coprozessor in der Cloud stoßen Innsbrucker Physiker die Tür zur Simulation von bisher kaum lösbaren Fragestellungen in der Chemie, Materialforschung oder Hochenergiephysik weit auf.
14.11.2019
Quantenoptik | Quantencomputer

Eine Einbahnstraße für Licht
Licht lässt sich in unterschiedliche Richtungen lenken, meist auch wieder den gleichen Weg zurück.
29.08.2019
Quantencomputer

Quanteninternet nimmt Gestalt an
Ein Team um den Innsbrucker START-Preisträger Ben Lanyon hat erstmals ein mit Materie verschränktes Lichtteilchen über ein 50 Kilometer langes Glasfaserkabel übertragen.
01.11.2019
Festkörperphysik | Quantencomputer

Der ganz besondere rote Diamant - Forschung zu angewandter Quantentechnologie an der Universität Leipzig
Physikern der Universität Leipzig ist ein wichtiger Schritt bei der Nutzung der Quantentechnologie für Computer und Sensoren gelungen.
10.01.2020
Quantencomputer

Robuste Rechenoperationen für den Quantencomputer
Neues Verfahren zur Steuerung von Qubits mit Mikrowellenpulsen reduziert Fehlerquote und erhöht Effizienz.
10.10.2022
Atomphysik | Quantencomputer

Quantencomputer im Einsatz in der Chemie
Quantencomputer gehören zu den zentralen Zukunftstechnologien des 21sten Jahrhunderts - ihr Potenzial übertrifft selbst die besten Superrechner.
09.05.2019
Teilchenphysik | Quantencomputer

Schneller rechnen mit Quasi-Teilchen
Auf dem Weg zu topologischen Quantencomputern ist Physikern der Universität Würzburg ein wichtiger Fortschritt gelungen.
14.01.2020
Quantenphysik | Quantencomputer

Quantenverschlüsselung unter dem Meer realisiert
Ein internationales Team rund um Forscher/innen der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und der Universität Wien etablierte via Unterseekabel eine quantenverschlüsselte Verbindung zwischen Sizilien und Malta.