Wien 2.,Leopoldstadt - Jenseits von Null und Eins: Supraleitende Quanten-Computerchips

Herkömmliche Computerchips verarbeiten in ihren Schaltelementen die Signale „Eins“ und „Null“ – also „Strom“ oder „kein Strom“. Daraus können all die komplexen Fähigkeiten zusammengebaut werden, die moderne Rechner heute haben. Für manche Aufgaben ist diese Vorgangsweise aber nicht besonders effizient – etwa für das Durchsuchen unsortierter Datenbanken. Soll ein klassischer Computer zum Beispiel in einem Telefonbuch nachsehen, welcher Name zu einer bestimmten Telefonnummer gehört, muss er einen Eintrag nach dem anderen überprüfen – und das kann ziemlich lange dauern. Genau für diese Art von Problemstellungen, bei denen eine lange Liste von möglichen Lösungen ausprobiert werden muss, könnten Quanten-Computer eine bahnbrechende Weiterentwicklung bringen.

Die Quantenphysik sagt, dass sich mikroskopisch kleine Objekte in einer Überlagerung aus verschiedenen Zuständen befinden können: Ein Atom kann sich gleichzeitig im und gegen den Uhrzeigersinn drehen, ein Elektron kann an mehreren Orten gleichzeitig sein. Dieses Prinzip der Quanten-Überlagerung versuchen WissenschafterInnen nun auf Computertechnologie anzuwenden. Wenn ein Computerchip nicht nur mit „Null“ oder „Eins“ arbeitet, sondern jede mögliche Überlagerung von „Null“ und „Eins“ gleichzeitig annehmen kann, dann kann er auch mit jeder möglichen Überlagerung gleichzeitig rechnen. Der Computerchip muss sich gar nicht entscheiden, welche Zahlen er gerade verarbeitet – er rechnet mit allen Möglichkeiten auf einmal.

Rechnen mit Quanten-Chips

Seit Jahren versuchen PhysikerInnen, dem Traumziel Quantencomputer näher zu kommen. Ganz unterschiedliche technologische Ansätze wurden dabei bereits getestet. Johannes Majer und seine KollegInnen setzen auf supraleitende Schaltkreise, in denen bei tiefsten Temperaturen (ein Fünfzigstel Grad über dem absoluten Nullpunkt) elektronische Quantenüberlagerungen erzeugt werden können – und sie schaffen es nun, mit diesen überlagerten Zuständen (den sogenannten Qbits) Rechenaufgaben zu lösen. „Das Problem dabei ist, dass solche Überlagerungszustände sehr fragil sind“ erklärt Johannes Majer. Geraten sie in Kontakt mit ihrer Umwelt, können sie rasch zerfallen und liegen dann wieder nur einem eindeutigen Zustand vor – einer Null oder einer Eins, wie in einem klassischen Computer. Allerdings kann man die Quanten-Zustände auch nicht vollständig von der Umwelt abkoppeln, schließlich muss das Ergebnis der Rechnung auch irgendwie aus dem Chip ausgelesen werden – und genau darin besteht das große Grundproblem von Quantencomputern.

Fragile Quantenzustände

Für Quantenphysik-Verhältnisse sind die supraleitenden Chips erstaunlich groß, betont Johannes Majer: „Wir verschränken Quanten-Zustände auf Schaltelementen, die einen Drittelmillimeter groß sind – man kann sie mit freiem Auge sehen.“ Dadurch stehen die Quanten-Zustände auf den Quantenchips in Kontakt mit vielen anderen Teilchen und gehen rasch kaputt: Sie haben eine Lebensdauer von nur etwa einer Millionstelsekunde. In anderen Systemen, etwa in einzelnen Atomen, die in elektromagnetischen Feldern gefangen sind, kann man Quanten-Zustände länger konservieren. Die supraleitenden Chips haben aber den entscheidenden Vorteil, dass auf ihnen die Quanten-Zustände sehr rasch verarbeitet werden können. Mit Hilfe von Mikrowellen wird der Quanten-Chip in einen bestimmten Zustand versetzt und die gewünschte Rechnung wird ausgeführt. Das alles muss so schnell gehen, dass eine möglichst große Zahl von Rechenschritten möglich ist, bevor die Quanten-Überlagerungseigenschaften nach einer Millionstelsekunde dann verlorengehen.

Erste Quanten-Rechnungen

An der Yale Universität, in der Gruppe von Rob Schoelkopf, gelang es Johannes Majer und seinen KollegInnen, zwei Quantenzustände auf einem Computerchip zu koppeln und damit erfolgreich einfache Rechnungen durchzuführen. Damit ist bewiesen, dass Quanten-Rechnungen in supraleitenden Computerchips tatsächlich möglich sind. Die Tür zu weiteren, komplizierteren Quanten-Chips mit einer größeren Anzahl von Quanten-Zuständen scheint damit offen zu sein.

Eine spannende Zukunftsvision für die QuantenphysikerInnen wäre es, die supraleitenden Chips mit stabileren Atom-Zuständen zu koppeln. Dieses Ziel will Majer nun am Atominstitut der TU Wien weiterverfolgen. „Vielleicht kann man eines Tages Atome wie einen Speicher verwenden, und die schnellen Supraleiter-Chips zum Rechnen benützen“, hofft Majer. Bis man Quantencomputer im Elektro-Fachmarkt kaufen kann, haben WissenschafterInnen jedenfalls mit Sicherheit noch einiges zu tun.

Publikationen zum Beitrag

Demonstration of two-qubit algorithms with a superconducting quantum processor. L. DiCarlo, J. M. Chow, J. M. Gambetta, Lev S. Bishop, B. R. Johnson, D. I. Schuster, J. Majer, A. Blais, L. Frunzio, S. M. Girvin, et al. Nature (28 June 2009) doi:10.1038/nature08121 Letter