Google verbessert Skalierbarkeit von Quantencomputern

Google-Forscher haben einen Weg gefunden, um den D-Wave-Quantencomputer des Unternehmens skalierbarer zu machen und die Lösung von Problemen in verschiedenen Bereichen zu ermöglichen. Wie die Fachzeitschrift Nature berichtet, kombinieren sie digitale und analoge Herangehensweisen bei einem Gerät, um genug Qubits für einen vielseitig nutzbaren Quantencomputer zu erzeugen. Dieser soll etwa in der Lage sein, chemische und physikalische Probleme durch die Simulation von Molekülen auf der Quantenebene zu lösen.

Die analoge Methode Adiabatic Quantum Computing (AQC) liegt dem Quantencomputer D-Wave zugrunde, den Google vor einigen Jahren erworben hat. Dabei lassen sich jedoch Fehler nicht so systematisch korrigieren wie bei digitalen Schaltkreisen. Diese Einschränkung steht einer Skalierung entgegen, da bei AQC zufallsbedingte Störeinflüsse zunehmen, je größer ein System ist.

Die Qubits können einzeln angesteuert werden (Bild: Julian Kelly / Google).

Quantencomputer arbeiten im Gegensatz zu den heute gebräuchlichen Digitalrechnern nach den Gesetzen der Quantenmechanik und nicht auf Basis der Gesetze der klassischen Physik und Informatik. Wichtigster Unterschied ist, dass ein Quanten-Bit (Qubit) nicht nur die Zustände „0“ und „1“ kennt, sondern auch beliebige Überlagerungszustände von 0 und 1 zugelassen sind.

Das könnte millionenfache parallele Berechnungen erlauben und dem Quantencomputer einen kaum vorstellbaren Leistungsvorsprung gegenüber herkömmlicher Computertechnik verschaffen. Quantencomputing basiert auf der Quantentheorie und verwendet subatomare Partikel zur Datenspeicherung. Entsprechende Computer sollen deutlich schneller arbeiten als heutige Systeme und jegliche Aufgaben berechnen können. Noch existiert aber kein funktionierender universeller Quantencomputer.

Informatiker von Googles Forschungslabor im kalifornischen Santa Barbara und Physiker verschiedener Universitäten haben das neue Gerät im Forschungspapier Digitized adiabatic quantum computing with a superconducting circuit näher beschrieben. Sie bezeichnen ihre Methode als „Quantum-Annealing mit einem digitalen Dreh“.

Das Google-Team setzt eine Reihe von neun kreuzförmigen Solid-State-Qubits aus Aluminiumfolie ein, die auf einer Saphiroberfläche platziert sind. Das Aluminium wird auf 0,02 Grad Kelvin gekühlt, um das Metall in einen Supraleiter ohne elektrischen Widerstand zu verwandeln. „Das erlaubt die Kodierung von Informationen in die Qubits in ihrem supraleitenden Zustand“, erklärt Nature die Methode. „Zugleich werden die Interaktionen zwischen benachbarten Qubits durch Logikgatter kontrolliert, die die Qubits digital in einen Zustand versetzen, der die Lösung für ein Problem kodiert.“

„Qubits haben wie andere physikalische Objekte in der Natur eine Resonanzfrequenz und können einzeln adressiert werden mit kurzen Spannungsimpulsen“, erläutern die Google-Forscher Rami Barends und Alireza Shabani. „In unserer Architektur können wir diese Frequenz steuern, wie man es etwa bei der Feineinstellung eines Radios auf einen Sender macht. Wir können sogar ein Qubit auf die Frequenz eines anderen abstimmen, Interaktionen können ein- und ausgeschaltet werden.“

Es handelt sich noch immer um einen Prototyp, aber er soll den Weg für ein Gerät mit über 40 Qubits ebnen. Barends und Shabani gehen davon aus, dass ihre Methode der Fehlerkorrektur die Grenze der Skalierbarkeit aufhebt, die durch Störeinflüsse entstand: „Aber mit Fehlerkorrektur entsteht aus dieser Herangehensweise ein Algorithmus für universelle Zwecke, der zu einem beliebig großen Quantenrechner skaliert werden kann.“

[mit Material von Liam Tung, ZDNet.com]