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Quantenrechnen mit mehr als Null und Eins

Nichtbinärer Quantencomputer rechnet auf Basis von "Qudits" mit acht auslesbaren Zuständen

Qudits
Bis zu acht Zustände statt nur Nullen und Einsen – mit Quanten-Digits wird dies möglich. © Uni Innsbruck/ Harald Ritsch

Acht statt nur zwei: Bisher sind Quantencomputer an gängige Digitaltechnik angepasst – sie rechnen mit Nullen und Einsen. Jetzt haben Physiker einen Quantenrechner konstruiert, der mehr kann: Anders als Quantenbits haben seine Quanten-Digits aus Calcium-Ionen acht auslesbare Zustände und ermöglichen so mehr Rechenleistung mit weniger Quantenteilchen. Solche nicht-binären Quantencomputer könnten für viele Anwendungen weit geeigneter sein als die an das klassische Rechnen angepassten Varianten, wie das Team in „Nature Physics“ berichtet.

Computer rechnen binär – ihre Information ist in Abfolgen aus Nullen und Einsen kodiert. Dieser Standard prägt die gesamte digitale Welt und wurde daher bisher auch bei Quantencomputern verwendet. Obwohl die für das Quantenrechnen verwendeten Teilchen – Atome, Ionen oder virtuelle Ladungspunkte – meist mehr als nur zwei Zustände einnehmen können, wählt man für die praktische Anwendungen nur zwei davon aus. Quantenbits kodieren Informationen daher nach dem gleichen Code wie klassische Bits und Bytes.

Acht „Digits“ statt nur zwei Bits

Aber es geht auch anders: „Die physikalischen Bausteine des Quantencomputers können deutlich mehr als nur Null und Eins“, erklärt Erstautor Martin Ringbauer von der Universität Innsbruck. „Die Einschränkung auf binäre Systeme nimmt diesen Computern viel von ihrem echten Potential.“ Ob es möglich ist, statt mit künstlich auf zwei Zustände beschränkten Qubits auch mit mehrstufigen Quantendigits (Qudits) zu rechnen, haben Ringbauer und seine Kollegen nun ausprobiert.

Als Basis und Rechen-Grundeinheiten für ihren neuen Qudit-Quantencomputer nutzten die Physiker eine Reihe von Calcium-Ionen in einer Ionenfalle. Über ein von außen angelegtes Magnetfeld lassen sich diese Ionen auf verschiedenen Energiezustände anregen. Acht dieser Zustände sind ausreichend klar gegeneinander abgegrenzt, dass man sie auslesen und zur Kodierung von Information verwenden kann, wie das Team berichtet.

Erste Rechentests erfolgreich

Für das praktische Rechnen mit diesen acht Teilchenzuständen kombinierten die Forscher diese Qudits zu logischen Gates, durch die verschiedene Rechenoperationen möglich wurden. Sieben Zustände dienten dabei als aktive Informationsträger, das achte Energieniveau war für das mehrschrittige Auslesen reserviert. Dabei wird nach und nach über Fluoreszenzmessungen das Energieniveau der Qudits abgefragt.

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In ersten Tests absolvierte der Qudit-Quantencomputer die Aufgaben mit eine ähnliche Fehlerrate wie herkömmliche Qubit-Prozessoren. Er arbeitet demnach genauso verlässlich wie ein Quantencomputer mit nur Null und Eins als Rechenzuständen. „Wir demonstrieren damit einen universellen Qudit-Quantenprozessor, der auf Basis von gängiger Ionenfallen-Hardware funktioniert“, schreiben Ringbauer und seine Kollegen.

Vorteil für viele Anwendungen

Nach Ansicht der Forscher eröffnen solche nichtbinären Quantencomputer die Chance, das volle Potenzial des quantenbasierten Rechnens auszuschöpfen. Für viele Anwendungen ist das Rechnen mit mehr als Null und Eins zudem von Vorteil: Viele der Aufgaben für Quantencomputer, wie in der Physik, Chemie, oder den Materialwissenschaften, müssten erst für übliche Quantencomputer umgeschrieben werden, was aufwendig ist und das Rechnen kompliziert

„Mit mehr als Null und Eins zu rechnen, ist daher nicht nur optimal für die Quantencomputer, sondern auch deutlich natürlicher für viele Anwendungen“, sagt Ringbauer. „Dieser Ansatz ermöglich uns, das volle Potential unserer Quantencomputer auszuschöpfen“. (Nature Physics, 2022; doi: 10.1038/s41567-022-01658-0)

Quelle: University of Innsbruck

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