Durchbruch für Quantenrechner: Der bisher beste Siliziumchip

Australischen Informatikern ist ein wichtiger Durchbruch auf dem Weg zur Realisierbarkeit eines Quantencomputers gelungen. Andrea Morello und sein Team von der University of New South Wales programmierten einen Siliziumchip, der verlässliche Berechnungen jenseits der klassischen Bitraten ausführen konnte und veröffentlichten ihre Ergebnisse Anfang dieser Woche in der Fachpublikation Nature Nanotechnology. Dafür versahen die Wissenschaftler den Chip mit zwei Quantenbits, die für die Berechnung von Quantencodes nötig sind.

Unsere gängigen Digitalrechner verwenden alle möglichen Kombinationen des klassischen Binärcodes von 1 und 0, bei Quantencomputern hingegen können ebenfalls Quantensuperpositionen wie 00+11, 00-11, 10+01 oder 10-01 geschrieben werden. „Diese neuen Codes stellen eine zusätzliche Programmiersprache dar, die die Leistung eines Computers vergrößert", so Morello in einem von der Universität produzierten Video. „Für diese neuen Codes gibt es keine Entsprechungen in unserer klassischen Welt. Es handelt sich um quantenverschränkte Zustände."

In quantenverschränkten Zuständen sind die beteiligten Partikel so miteinander verbunden, dass ihre Eigenschaften, wie Energie oder Impuls, miteinander reagieren. Eine Veränderung an dem einem Ort beeinflusst demzufolge den Zustand des korrelierenden Partikelsystems an einem (beliebig weit entfernten) anderen Ort—und das ganz ohne Zeitverzögerung. Indem sie die Grundsätze der Informatik mit dem Phänomen der Quantenmechanik kombinieren, arbeiten Quantencomputer viel schneller und effizienter als herkömmliche Rechner.

Quantencomputer wie der D-Wave 2X sind bisher vor allem serverraumgroße Riesenrechner. Und auch wenn ein D-Wave-Modell seit vergangenem September im Ames Research Center der NASA steht, wollen diesen gar nicht alle Forscher als vollständigen Quantenrechner wahrhaben.

„Es ist ein rätselhafter Effekt, der einige der größten Denker verwirrte. Albert Einstein prägte den Satz: 'spooky action at a distance'", erzählt Morello. Einstein lehnte die Quantenmechanik ab, da er von der Separierbarkeit physikalischer Systeme als fundamentaler Grundlage der Physik überzeugt war. Im Jahr 1964 wurde Einsteins Überzeugung der physikalischen Lokalität jedoch mittels der Bellschen Ungleichung widerlegt, welche besagt, dass die Quantenmechanik auf einer Nichtlokalität basiert.

„Mit der selben Anzahl von Bits lassen sich so Codes schreiben, die viel mehr Worte beinhalten. Mit Hilfe dieser zusätzlichen Wörter können wir ganz andere Algorithmen entwickeln, die schneller und in weniger Schritten zu dem jeweiligen Ergebnis kommen", so die Co-Autorin der Studie, Stephanie Simmons, in einer Presseerklärung.

In ihrem Experiment erzeugten die Wissenschaftler auf einem Siliziumchip einen verschränkten Zustand zwischen dem Zellkern eines Phosphor-Atoms und einem einzelnen Elektron. Diese formten ein Quantenbit, ein Equivalent zu einem Computer-Bit. Die Studie zeigte, dass diese Verschränkung leicht zu steuern war, sich sogar für Rechenverfahren einsetzen ließ und eine so große Trefferquote erzielte, dass die oft bezweifelte Zuverlässigkeit von Quantencomputern ausgeräumt werden konnte.

Die Programmierung auf Silizium bedeutet auch, dass es bald in greifbare Nähe rückt, Quantentechnik in kleinerem Maßstab wie zum Beispiel in Gadgets zu verwenden. „Wir konnten hiermit zweifelsfrei beweisen, dass wir Code in ein Gerät einsetzen können, das Ähnlichkeit mit den Silizium-Mikrochips in deinem Laptop oder Mobiltelefon hat", erzählt Morello. „Das ist ein wahrer Triumph für die Elektrotechnik."