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Quantencomputer für überall

Modularer, kompakter Quantenrechner passt in zwei gängige Serverracks

Ionenfalle
Blick auf das Herzstück des neuen Kompakt-Quantencomputers: die Ionenfalle. In ihr rechnen zurzeit 24 Quantenbits, demnächst könnten es 50 sein.© Universität Innsbruck

Massentaugliches Standardformat: Forscher haben erstmals einen Quantencomputer entwickelt, der in normale 19-Zoll-Serverracks passt und mit einem Minimum an Aufwand betrieben werden kann. Das ebnet den Weg zur Integration von Quantencomputern in normale Rechenzentren. Trotz der kompakten, modularen Bauweise erreicht das 24-Qubit-System ähnlich gute Leistungen wie eine laborgroße Anlage, wie erste Tests belegen.

Quantencomputer gelten als die Rechner der Zukunft. Dank quantenphysikalischer Phänomene wie der Verschränkung und Überlagerung können sie viele Aufgaben effektiver und schneller lösen als herkömmliche Computer. Bisher sind diese Anlagen jedoch extrem empfindlich und nehmen ganze Labore ein. Auch wenn es bereits erste kommerziell genutzte Quantencomputer gibt, sind sie bislang eher Solitäre als breit nutzbare Massenanfertigungen.

KOmpakt-Quantencomputer
Der kompakte Quantencomputer findet in zwei 19-Zoll-Serverracks Platz. © Universität Innsbruck

Modular, kompakt und autark

Doch das soll sich ändern: Ein Team unter Leitung von Thomas Monz von der Universität Innsbruck arbeitet daran, den Quantencomputer massentauglich zu machen. Ähnlich wie einst bei den klassischen Rechnern soll die Technologie nicht mehr nur von Spezialisten bedient werden können, sondern von den Endnutzern selbst. Dafür müssen die Quantenrechner klein, modular und möglichst weit automatisiert und leicht bedienbar werden.

Ein erster Schritt dahin ist dem Team nun gelungen. Sie haben einen Quantencomputer entwickelt, der modular aufgebaut ist und in zwei gängige 19 Zoll-Serverracks passt, wie sie in Rechenzentren üblich sind. „Uns ging es nun darum, die Technologien auf kleinstmöglichem Raum unterzubringen und gleichzeitig die in der Industrie üblichen Normen und Standards zu erfüllen“, erklärt Monz. Der Quantencomputer kann autark betrieben werden und soll bald auch online programmierbar sein.

24 Calcium-Ionen als Qubits

Konkret besteht das System aus mehreren eingekapselten Modulen, die übereinandergestapelt in den zwei Serverracks untergebracht sind. Das erste enthält die Technik, die für die Manipulation und das Auslesen der Quantenbits nötig ist, sowie die Steuerelektronik. Herzstück dieses Racks ist die Ionenfalle – eine Vakuumkammer, in der 24 verschränkte Calcium-Ionen (Ca+) in einer Magnetfalle gehalten werden.

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Durch spezielle Abschirmung und Vibrationsdämpfer geschützt, werden diese Qubits mittels Laserstrahlen in verschiedene Energiezustände gebracht. Diese Übergänge entsprechen den Nullen und Einsen eines normalen Rechners. Die für diese Manipulation und das anschließende Auslesen nötigen Laserstrahlen werden im zweiten Serverturm erzeugt. Über optische und elektrische Leitungen sind Optik-Rack und Fallen-Rack miteinander verbunden.

Aufbau
Aufbau des kompakten Quantencomputers. © Pogorelov et al./ PRX Quantum, CC-by-sa 4.0

Rechnet stabil und zuverlässig

Wie gut dieser modulare Kompakt-Quantencomputer funktioniert, haben Monz und sein Team in mehreren Tests überprüft. Dabei ließen sie das System mit bis zu 24 Qubits rechnen und erzeugten sowohl einzeln wie paarweise verschränkte logische Gatter. „Unseres Wissens nach ist dies der größte maximal verschränkte Zustand, der je in einem System ohne Fehlerkorrektur oder nachträgliche Selektion erzeugt wurde“, schreibt Monz und seine Kollegen. „Das demonstriert die Fähigkeiten unseres Systems.“

Auch in puncto Fehleranfälligkeit und Stabilität stuft das Team die Ergebnisse als vielversprechend ein: Weder Vibrationen noch äußerliche Magnetfelder störten den kohärenten Zustand der verschränkten Quantenbits in größerem Maße. Die Fehlerquote hielt sich ebenfalls in Grenzen: „Wir erreichen eine Zuverlässigkeit von 99,8 Prozent pro adressiertem Einzelionen-Gatter“, berichten die Forschenden. Mit allen 24 Qubits lag die Zuverlässigkeit ohne weitere Korrekturen bei 54,4 Prozent.

Aufstockung auf 50 Qubits bis zum nächsten Jahr

Nach Ansicht der Wissenschaftler demonstriert dies, dass ihr kompakter Quantenrechner durchaus mit gängigen Labor-Quantencomputern mithalten kann. „Wir konnten zeigen, dass Kompaktheit nicht auf Kosten von Funktionsfähigkeit gehen muss“, sagt Monz‘ Kollege Christian Marciniak. Das Team arbeitet bereits daran, die Leistungen ihres Quantencomputers weiter auszubauen. In ersten Versuchen gelang es ihnen bereits, 50 Qubits in dem System zu erzeugen, bis 2022 wollen sie auch das Rechnen mit dieser Qubitmenge umsetzen.

Langfristig sehen die Forschenden ihren Ansatz als einen Weg, um Quantencomputer breiter verfügbar und damit auch vielseitiger einsetzbar zu machen. Das Rechnen mit Qubits soll dann auch ohne spezielle Kenntnisse und in normalen Rechenzentren möglich werden. (PRX Quantum, 2021; doi: 10.1103/PRXQuantum.2.020343)

Quelle: Universität Innsbruck, American Physical Society

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