Erstmals lassen sich beliebige Algorithmen mit zwei Qubits aus gefangenen Ionen durchlaufen

Arbeit am Quantenprozessor

Boulder (USA) - Einzelne Atome, tiefgekühlt auf fast minus 273 Grad Celsius, sind gute Kandidaten für Qubits, die Hardware zukünftiger Quantencomputer. Nun gelang amerikanischen Physikern ein weiterer, wichtiger Entwicklungsschritt: Sie konnten erstmals ein System aus zwei Qubits beliebig programmieren. In der Fachzeitschrift "Nature Physics" erläutern sie, wie sie mit fein abgestimmten Laserpulsen ihr Zwei-Qubit-System mit über hundert verschiedenen Algorithmen fütterten.

"Damit rücken wir dem Ziel, Berechnungen mit sehr vielen Qubits durchzuführen, einen Schritt näher", sagt David Hanneke vom National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder. Sein programmierbarer Quantenprozessor besteht im wesentlichen aus zwei einzelnen Berylliumatomen. Die quantenphysikalischen Eigenschaften dieser Qubits lassen sich durch kurze ultraviolette Laserpulse beeinflussen und kontrollieren. Rein willkürlich wählten Hanneke und seine Kollegen nun 160 logische Operationen aus, die von den beiden Qubits ausgeführt werden sollten.

Um ihren Quantenprozessor mit diesen Aufgaben zu füttern, mussten sie für jede logische Operation die anregenden Laserpulse anpassen, mit denen sie die Zustände der Atome manipulierten. Nachdem so alle Algorithmen 900 Mal das Zwei-Qubit-System durchlaufen hatten, analysierten sie die Qualität der Ergebnisse. In 79 Prozent der Fälle lieferte der Quantenprozessor korrekte Resultate. Für zukünftige Anwendungen müsste diese Quote aber mindestens bei 99,99 Prozent liegen. Dieses Ziel halten die Wissenschaftler mit stabileren, nicht schwankenden Laserquellen für möglich.

Das Ergebnis zeigt, dass sich die Hardware "Qubits aus Ionen" prinzipiell beliebig programmieren lässt. So kann das Experiment der NIST-Forscher als wichtiger Schritt hin zu einer Quanten-Software gelten. Um in Zukunft noch komplexere Berechnungen durchführen zu können, wollen Hanneke und Kollegen ihre Zwei-Qubits-Systeme zu Multi-Qubit-Prozessoren verknüpfen. Diese Versuche lassen einen Quantencomputer näher rücken; allerdings nur unter der Voraussetzung, dass parallel die Fehlerquote von über 20 Prozent noch signifikant gesenkt wird.