Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neue Architektur für Quantencomputer

26.10.2015

Theoretiker aus Innsbruck schlagen einen Bauplan für einen skalierbaren Quantencomputer vor. Das von Wolfgang Lechner gemeinsam mit Philipp Hauke und Peter Zoller entwickelte, neue Modell beseitigt grundlegende Einschränkungen der Programmierbarkeit bisheriger Ansätze und öffnet den Weg zur Lösung sehr allgemeiner Optimierungsprobleme mit Hilfe der Quantenmechanik.

Die Entwicklung eines Quantencomputers, der manche Aufgaben sehr viel effizienter lösen kann als klassische Computer, hat in den vergangenen Jahren große Fortschritte gemacht. Heute können Physiker im Labor sehr gezielt Quantenbits erzeugen, sie kontrollieren und mit ihnen einfache Rechnungen durchführen.


Philipp Hauke, Wolfgang Lechner und Peter Zoller

IQOQI/Knabl

Für den praktischen Einsatz sind dabei besonders sogenannte „adiabatische“ Quantencomputer sehr interessant. Diese sind dafür konzipiert, Optimierungsprobleme zu lösen, die am herkömmlichen Computer nicht mehr machbar sind. Allen bisherigen Konzepten für diese Art von Quantencomputer ist allerdings gemeinsam, dass sie die Quantenbits direkt in Verbindung bringen müssen, um über deren Wechselwirkungen ein Programm ablaufen zu lassen. Die möglichen Wechselwirkungen und damit die Rechenschritte sind aber durch die räumliche Anordnung der Quantenbits beschränkt.

„Die Programmiersprache in diesen Systemen ist die Wechselwirkung zwischen den physikalischen Quantenbits. Sie ist durch die Hardware vorgegeben. Damit unterliegenden alle diese Ansätze einer sehr grundlegenden Einschränkung, wenn es darum geht einen voll programmierbaren Quantencomputer zu bauen“, erklärt Wolfgang Lechner vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften in Innsbruck.

Quantencomputer wird frei programmierbar

Gemeinsam mit Philipp Hauke und Peter Zoller hat Lechner einen gänzlich neuen Weg eingeschlagen. Die Theoretiker am Quantenphysik-Standort Innsbruck umgehen die Einschränkungen durch die Hardware, indem sie die Programmierung des Quantencomputers von der Ebene der physikalischen Quantenbits lösen und neue Quantenbits einführen.

Die physikalischen Quantenbits repräsentieren jeweils ein Paar von logischen Quantenbits und können über lokale Felder angesteuert werden. Bei Atomen oder Ionen sind das zum Beispiel elektrische Felder, bei supraleitenden Quantenbits Magnetfelder. „Die logischen Quantenbits können über diese Felder frei programmiert werden“, erklärt Mitautor Philipp Hauke vom Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck. „Damit wird nicht nur die Beschränkung durch die Hardware umgangen, sondern auch die technologische Umsetzung skalierbar.“

Eingebaute Fehlerkorrektur

Weil in der vorgeschlagenen Architektur die Anzahl der Freiheitsgrade ansteigt – was auch zu nichtphysikalischen Lösungen führen würde –, ordnen die Physiker die Quantenbits räumlich so an, dass jeweils vier von ihnen lokal wechselwirken. „Damit sorgen wir dafür, dass nur noch physikalische Lösungen möglich sind“, erklärt Wolfgang Lechner. Das Ergebnis eines Rechenvorgangs wird in mehreren physikalischen Quantenbits gleichzeitig gespeichert. „Die Lösung liegt in redundanter Form vor. Damit ist unser Modell auch gleichzeitig fehlertolerant“, freut sich Lechner.

Umgesetzt werden kann die neue Architektur auf allen Quantenbit-Plattformen: von supraleitenden Schaltkreisen bis zu ultrakalten Gasen in optischen Gittern. „Unser Ansatz erlaubt auch den Einsatz von Technologien, die bisher für diese Art der Quanteninformationsverarbeitung nicht genutzt werden konnten“, sagt der Physiker, der nun gemeinsam mit Hauke und Zoller das neue Modell in der Fachzeitschrift Science Advances vorstellt.

In der Wissenschaftsgemeinde und darüber hinaus stößt es bereits auf großes Interesse. „Der Schritt von mechanischen Rechenmaschinen zu freiprogrammierbaren Computern hat vor 80 Jahren das IT-Zeitalter eingeleitet, heute stehen wir in Hinblick auf die Quanteninformationsverarbeitung an einem ähnlichen Punkt“, zeigt sich Peter Zoller überzeugt.

Die neue Architektur für Quantencomputer wurde Anfang dieses Jahres auch als Patent eingereicht. Finanziell unterstützt wurden die Arbeiten vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und dem europäischen Forschungsrat ERC.

Publikation: A quantum annealing architecture with all-to-all connectivity from local interactions. W. Lechner, P. Hauke, P. Zoller. Science Advances 1, e1500838 (2015).
doi:10.1126/sciadv.1500838

Rückfragehinweis:
Wolfgang Lechner
Institut für Quantenoptik und Quanteninformation
Österreichische Akademie der Wissenschaften
Tel.: +43 512 507 4788
E-Mail: Wolfgang.Lechner@uibk.ac.at

Christian Flatz
Öffentlichkeitsarbeit
Universität Innsbruck
Tel.: +43 512 507 32022
Mobil: +43 676 872532022
E-Mail: Christian.Flatz@uibk.ac.at

Dr. Christian Flatz | Universität Innsbruck
Weitere Informationen:
http://www.uibk.ac.at

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Partnerschaft auf Abstand: tiefgekühlte Helium-Moleküle
07.12.2016 | Goethe-Universität Frankfurt am Main

nachricht Das Universum enthält weniger Materie als gedacht
07.12.2016 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Poröse kristalline Materialien: TU Graz-Forscher zeigt Methode zum gezielten Wachstum

Mikroporöse Kristalle (MOFs) bergen große Potentiale für die funktionalen Materialien der Zukunft. Paolo Falcaro von der TU Graz et al zeigen in Nature Materials, wie man MOFs gezielt im großen Maßstab wachsen lässt.

„Metal-organic frameworks“ (MOFs) genannte poröse Kristalle bestehen aus metallischen Knotenpunkten mit organischen Molekülen als Verbindungselemente. Dank...

Im Focus: Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie

Die mit der Entdeckung von Gravitationswellen entstandene neue Disziplin der Gravitationswellen-Astronomie bekommt eine weitere Aufgabe: die Suche nach Dunkler Materie. Diese könnte aus einem Bose-Einstein-Kondensat sehr leichter Teilchen bestehen. Wie Rechnungen zeigen, würden Gravitationswellen gebremst, wenn sie durch derartige Dunkle Materie laufen. Dies führt zu einer Verspätung von Gravitationswellen relativ zu Licht, die bereits mit den heutigen Detektoren messbar sein sollte.

Im Universum muss es gut fünfmal mehr unsichtbare als sichtbare Materie geben. Woraus diese Dunkle Materie besteht, ist immer noch unbekannt. Die...

Im Focus: Significantly more productivity in USP lasers

In recent years, lasers with ultrashort pulses (USP) down to the femtosecond range have become established on an industrial scale. They could advance some applications with the much-lauded “cold ablation” – if that meant they would then achieve more throughput. A new generation of process engineering that will address this issue in particular will be discussed at the “4th UKP Workshop – Ultrafast Laser Technology” in April 2017.

Even back in the 1990s, scientists were comparing materials processing with nanosecond, picosecond and femtosesecond pulses. The result was surprising:...

Im Focus: Wie sich Zellen gegen Salmonellen verteidigen

Bioinformatiker der Goethe-Universität haben das erste mathematische Modell für einen zentralen Verteidigungsmechanismus der Zelle gegen das Bakterium Salmonella entwickelt. Sie können ihren experimentell arbeitenden Kollegen damit wertvolle Anregungen zur Aufklärung der beteiligten Signalwege geben.

Jedes Jahr sind Salmonellen weltweit für Millionen von Infektionen und tausende Todesfälle verantwortlich. Die Körperzellen können sich aber gegen die...

Im Focus: Shape matters when light meets atom

Mapping the interaction of a single atom with a single photon may inform design of quantum devices

Have you ever wondered how you see the world? Vision is about photons of light, which are packets of energy, interacting with the atoms or molecules in what...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

NRW Nano-Konferenz in Münster

07.12.2016 | Veranstaltungen

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Das Universum enthält weniger Materie als gedacht

07.12.2016 | Physik Astronomie

Partnerschaft auf Abstand: tiefgekühlte Helium-Moleküle

07.12.2016 | Physik Astronomie

Bakterien aus dem Blut «ziehen»

07.12.2016 | Biowissenschaften Chemie