3D Qubit: IBM meldet Durchbruch bei Quantencomputern

Die Forscher in den IBM Labs haben einige dort entwickelte Technologien kombiniert und drei wesentliche Fortschritte auf dem Weg zum Bau eines Quantencomputers erzielt. Es gelang ihnen, die Zahl der Fehler bei elementaren Berechnungen so weit zu reduzieren, dass Fehlerkorrekturverfahren effektiv eingesetzt werden können. Zudem konnten sie die Integrität der quantenmechanischen Eigenschaften von Qubits deutlich steigern.

Während ein Bit in klassischen Computern nur zwei Zustände haben kann - 0 oder 1 -, können Qubits diese beiden Werte auch gleichzeitig enthalten, was in der Quantentheorie als Superposition beschrieben wird. Qubits, als kleinste Informationseinheit in einem Quantencomputer, ermöglichen es so, mehrere Millionen Berechnungen parallel auszuführen. Herkömmliche Computer können nur eine kleine Zahl von Berechnungen gleichzeitig abwickeln. So enthält laut IBM ein Quantencomputer mit 250 Qubits mehr Bits an Information, als es Atome im Universum gibt.

Diese Eigenschaften haben große Auswirkungen für Verschlüsselungstechniken, die in erster Linie darauf basieren, dass es mit herkömmlicher Technik sehr aufwendig ist, sehr große Zahlen in ihre Faktoren zu zerlegen. Quantencomputer können dies deutlich schneller erledigen. Aber auch bei Datenbanken unstrukturierter Informationen und Optimierungsaufgaben sehen die IBM-Forscher Einsatzgebiete für Quantencomputer. Diese könnten helfen, bislang unlösbare mathematische Probleme zu lösen.

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3D Qubit von IBM (Quelle: IBM)

Um die Möglichkeiten von Quantencomputern zu nutzen, ist es aber notwendig, die sogenannte Dekohärenz - die durch Faktoren wie Hitze, elektromagnetische Strahlung und Materialdefekte hervorgerufenen Rechenfehler - zu kontrollieren oder zu eliminieren. Ein wichtiger Ansatzpunkt dafür ist es, die Zeit zu verlängern, über die Qubits ihre quantenmechanischen Eigenschaften behalten. Ist diese Zeitspanne lange genug, lassen sich Fehlerkorrektursysteme effektiv einsetzen, so dass sich lange und komplexe Berechnungen durchführen lassen.

Quantencomputer rückt in greifbare Nähe

Nun gibt es verschiedene Ansätze, um einen funktionieren Quantencomputer zu entwickeln. IBM konzentriert sich auf supraleitende Qubits. Dabei experimentiert IBM mit einem dreidimensionalen supraleitenden Qubit (3D Qubit), einer Idee, die an der Universität Yale entstand. Damit konnte IBM die Zeitspanne, für die ein Qubit seinen Quantenstatus behält, im Vergleich zu den bisherigen Rekorden um das Zwei- bis Vierfache verlängern. Damit sei gerade so das Minimum erreicht, um Fehlerkorrektursysteme effektiv einzusetzen, erklärte IBM. So könnten sich Ingenieure um Fragen der Skalierbarkeit kümmern.

"Unsere Arbeiten im Bereich Quantencomputer zeigen, dass es hierbei nicht länger um ein rein physikalisches Experiment geht. Es ist Zeit, damit zu beginnen, Systeme auf Basis dieser wissenschaftlichen Erkenntnisse zu entwickeln, die die Computerei an neue Grenzen heranführen", sagt der Leiter von IBMs Quantencomputer-Forschungsteams, Matthias Steffen.

In einem weiteren Experiment konnten die IBM-Forscher ein eher traditionelles, zweidimensionales Qubit präsentieren und eine logische Operation - Controlled-NOT (CNOT) - mit zwei Qubit umsetzen, ein wichtiger Baustein beim Bau eines Quantencomputers. Die Operation war in 95 Prozent aller Fälle erfolgreich. Das wurde durch eine lange Kohärenzzeit von 10 Mikrosekunden ermöglicht. Damit werde fast die für den Einsatz von Fehlerkorrektursystem notwendige Grenze erreicht, so IBM.