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Qubits rechnen mit Abstand

Neue Form der Verknüpfung ermöglicht verteiltes Rechnen mit Quantenmodulen

Quantenlabor
Sieht aus wie Technikgewirr, ist aber ein Baustein eines über zwei Räume hinweg rechnenden Quantencomputers. © MPI für Quantenoptik

Modulares Quantenrechnen: Wissenschaftler haben den Prototyp eines auf neue Weise verteilt rechnenden Quantencomputers entwickelt. Bei diesem arbeiten getrennte Qubits über eine 60 Meter lange Glasfaserleitung zusammen und bilden ein logisches Gatter. Diese Verknüpfung eröffnet die Möglichkeit, Quantencomputer modular zu skalieren, ohne dass die sensiblen Qubits durch Störeffekte ihre Quantenzustände verlieren, wie das Team im Fachmagazin „Science“ berichtet.

Dank quantenphysikalischer Phänomene wie der Überlagerung und Verschränkung können Quantencomputer komplexe Aufgaben schneller bewältigen als herkömmliche Rechner – das haben der „Sycamore“-Quantencomputer und der Quantensimulator „Jiuzhang“ demonstriert. Für künftige Anwendungen jedoch benötigt man tausende Quantenbits statt nur ein paar Dutzend. Diese sind aber extrem störanfällig – je mehr man davon kombiniert, desto instabiler wird das System.

Quantenrechnen
Das Prinzip: Jedes Qubit besteht aus einem Atom in einer Kavität, ein Photon dient als Vermittler zwischen beiden und verknüpft sie über ein 60-Meter-Glasfaserkabel zu einem Logik-Gatter. © Stephan Welte, Severin Daiss/ MPQ

Eine Möglichkeit, dies zu überwinden, ist ein modularer Aufbau des Quantenrechners: Viele kleinere Qubit-Einheiten rechnen auf Abstand, aber trotzdem gemeinsam. Ein solches verteiltes Rechnen ist möglich, wenn logische Operationen von einem Modul zum nächsten übertragen werden. Realisieren lässt sich dies unter anderem durch eine quantenphysikalische Form der Teleportation, die aber relativ aufwändig ist.

Zwei räumlich getrennte Qubits…

Eine einfachere Lösung könnten nun Severin Daiss vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching und seine Kollegen gefunden haben. „Unser System beruht auf einem einzelnen Photon als Helfer-Qubit, das wir sukzessive von zwei voneinander entfernten Netzwerkmodulen reflektieren“, erklären sie. Dadurch gelang es, zwei Qubit-Module über eine 60 Meter lange Glasfaserleitung zu einem logischen Gatter zu verkoppeln.

Konkret besteht der Aufbau aus zwei Modulen, die jeweils ein Rubidium-Atom als Qubit in einem optischen Resonator mit einem halbdurchlässigen Spiegel enthalten. Ein Photon kann nur bei einem bestimmten Quantenzustand des Qubits in den Hohlraum eindringen und mit dem Atom wechselwirken. Seine Phase und Polarisierung wird dadurch an den Spin des Atoms gekoppelt. Ist das Qubit jedoch im nichtkoppelnden Zustand wird das Photon schon am Eingangsspiegel unverändert reflektiert.

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„Die Art der Reflektion kann das photonische Qubit an den Atomzustand koppeln und dies bildet die Basis für unser nichtlokales Quanten-Gatter“, erklärt das Team.

…bilden ein gemeinsames Logik-Gatter

Im nächsten Schritt werden die von dem ersten Qubitmodul abgehenden Photonen über eine 60 Meter lange Glasfaserleitung in den Nachbarraum geschickt. Dort treffen sie auf ein zweites, baugleiches Qubitmodul. Dort entscheidet wieder der Zustand des dortigen Qubits darüber, ob eine Wechselwirkung stattfindet. Das Resultat ist ein Überträger-Photon, dessen Polarisation und Phase die Information von zwei Qubits trägt und diese zu einer gemeinsamen Rechenoperation verknüpft.

Letztlich entsteht durch diese Verknüpfung ein sogenanntes CNOT-Gatter, das auf zwei räumlich voneinander getrennte Qubit-Module verteilt ist. Als „Bote“ zwischen beiden Modeln wird nur das mit den Atomen verschränkte Photon benötigt. Damit ist das System ein weltweit erster Prototyp eines auf diese Weise verteilt rechnenden Quantencomputers.

Neue Möglichkeiten für die Skalierung

Nach Ansicht der Forscher eröffnet dies neue Möglichkeiten, Quantencomputer zu skalieren. „Mit unserem Schema eröffnen wir dem verteilten Quantencomputing einen neuen möglichen Entwicklungspfad“, erklärt Daiss‘ Kollege Gerhard Rempe. Ein solcher Ansatz könnte die Limitierung bisheriger Quantencomputer umgehen und dadurch zu leistungsstärkeren Systemen führen.

Im nächsten Schritt möchte das Forscherteam versuchen, mehr als zwei Module miteinander zu verknüpfen und mehr Qubits in den einzelnen Modulen unterzubringen. (Science, 2021; doi: 10.1126/science.abe3150)

Quelle: Max-Planck-Institut für Quantenoptik

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