Quantencomputer waren lange Zeit ein ferner Traum von Informatikforschern, doch heute werden sie allmählich Wirklichkeit. Diese Computer versprechen, komplexe Probleme zu lösen, für deren Lösung herkömmliche Computer Tausende von Jahren brauchen würden. Damit sie ihr volles Potenzial entfalten können, ist es jedoch notwendig, kleine Informationseinheiten, sogenannte Qubits, mit äußerster Präzision zu manipulieren. Allerdings gelang einem Forscherteam kürzlich ein spektakulärer Durchbruch, indem es es schaffte, vier Qubits gleichzeitig mit beispielloser Präzision zu steuern.
Was ist ein Qubit und warum ist es so wichtig?
In herkömmlichen Computern werden Informationen in Form von Bits gespeichert und verarbeitet, die entweder 0 oder 1 sein können. Diese Computer arbeiten daher auf binärer Basis. Quantencomputer verwenden Qubits. Aufgrund der Gesetze der Quantenphysik kann ein Qubit in einem Zustand existieren Überlagerungdas heißt, es kann gleichzeitig 0 und 1 sein. Diese Fähigkeit, sich gleichzeitig in mehreren Zuständen zu befinden, ermöglicht Quantencomputern Berechnungen wesentlich schneller durchführen zu können als ihre herkömmlichen Gegenstücke, insbesondere für komplexe Aufgaben wie die Modellierung von Molekülen oder die Lösung bestimmter Arten von Optimierungsproblemen.
Allerdings ist die Steuerung dieser Qubits keine einfache Aufgabe. Sie sind in der Tat extrem empfindlich gegenüber äußeren Störungenwas es schwierig macht, sie zu handhaben und in einem stabilen Zustand zu halten. Dies hat Quantencomputing-Forscher vor eine der größten Herausforderungen gestellt: die gleichzeitige präzise Steuerung mehrerer Qubits.
Ein großer Durchbruch bei der Kontrolle von Qubits
In diesem Zusammenhang hat das Team der Technischen Universität Delft (TU Delft) in den Niederlanden kürzlich eine beeindruckende Leistung vollbracht. Den Forschern ist es gelungen Steuerung eines Vier-Qubit-Systems mithilfe von Quantenpunkten. Quantenpunkte sind winzige Halbleiterbauelemente, in denen Qubits eingeschlossen sind. Dank Fortschritten in den Mess- und Steuerungstechniken konnte das Team zeigen, dass es nun möglich ist, diese Qubits sehr präzise zu manipulieren, was einen großen Fortschritt auf diesem Gebiet darstellt.
Lieven Vandersypen, der Hauptautor der Studie, erklärt, dass das Team im Rahmen dieser neuen Forschung zunächst versucht habe, die Wechselwirkungen zwischen den Qubits anzupassen, insbesondere den Spin-Austausch (die internen Bewegungen der subatomaren Teilchen) in einem Netzwerk von Quantenpunkten. Dazu nutzten sie Spannungsimpulse, um die Wechselwirkungen zwischen den Spins jedes Qubits zu steuern. Diese Methode ermöglichte es dem Team nicht nur, Qubits einzeln zu steuern, sondern auch Operationen an mehreren Qubits gleichzeitig durchzuführen und so Quantengatter zu schaffen, die Informationen zwischen zwei Qubits gleichzeitig austauschen.
Warum ist diese Entdeckung so wichtig?
Vor dieser Entdeckung war es Forschern gelungen, Quantensysteme zu kontrollieren, die aus Folgendem bestehen: nur zwei Qubits. Das Team der TU Delft hat als erstes Team gezeigt, dass es möglich ist, ein System aus vier Qubits präzise zu steuern ausreichend, um zuverlässige Quantenoperationen durchzuführen. Dieser Fortschritt ist bedeutsam, denn je mehr Qubits es gibt, desto komplexer wird das System. Die Steuerung von mehr Qubits ist für Quantencomputer unerlässlich, um wirklich leistungsstarke Berechnungen durchführen zu können.
Jedes Qubit in diesem System besteht aus zwei Spins und ihre Manipulation erfolgt durch präzise Spannungsimpulse. Diese Kontrolle über jedes Qubit eröffnet neue Möglichkeiten für die Größenordnung von Quantencomputern und ermöglicht größere und schnellere Berechnungen. Diese neue Methode ist vielversprechend, da sie nicht nur die Kontrolle isolierter Qubits ermöglicht, sondern auch die Realisierung komplexer Interaktionen zwischen Qubits in einem Netzwerk.
Die zukünftigen Auswirkungen dieses Fortschritts
Die Fähigkeit, mehrere Qubits gleichzeitig zu steuern, ist nicht nur eine technologische Leistung; sie hat viele mögliche Anwendungen in verschiedenen Bereichen. Beispielsweise könnten Forscher in Chemie und Biologie mithilfe von Quantencomputern komplexe Moleküle simulieren, was die Entwicklung neuer Medikamente und Materialien revolutionieren könnte. Im Bereich der künstlichen Intelligenz könnten leistungsfähigere Quantenalgorithmen entwickelt werden, um Daten viel schneller und effizienter als heute zu verarbeiten.
Darüber hinaus könnte dieser Fortschritt es ermöglichen, komplexe physikalische Phänomene wie Magnetismus oder die Physik von Materialien auf atomarer Ebene zu simulieren. Durch eine genauere Modellierung dieser Phänomene könnten Forscher grundlegende Naturphänomene besser verstehen oder sogar neue Technologien in Bereichen wie Batterien der neuen Generation oder der Optimierung von Energienetzen entwickeln.
Eine Straße voller Fallstricke
Obwohl diese Entdeckung ein wichtiger Schritt ist, bleibt noch viel zu tun, bis Quantencomputing zu einer voll funktionsfähigen und zugänglichen Realität wird. Beispielsweise muss die Genauigkeit von Zwei-Qubit-Operationen (also solchen, die Informationen zwischen zwei verschiedenen Qubits austauschen) verbessert werden und es müssen Techniken zur Bewältigung von Quantenfehlern entwickelt werden. Einer der entscheidenden nächsten Schritte wäre der Nachweis, dass diese Zwei-Qubit-Quantengatter auch mit einer Genauigkeit von über 99 % realisiert werden können, was zuverlässigere und langlebigere Berechnungen gewährleisten würde.
