Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neues Quantencomputer-Konzept vorgeschlagen

07.08.2014

Ein Quantenphysik-Team der TU Wien entwickelte gemeinsam mit einer Forschungsgruppe aus Japan eine neue Architektur für einen Quantencomputer.

Der Quantencomputer ist so etwas wie der Heilige Gral der Quantentechnologie. Er wäre unvergleichlich viel leistungsfähiger als die klassischen Computer, mit denen wir heute arbeiten. Ein Forschungsteam der TU Wien schlägt nun gemeinsam mit einer Forschungsgruppe vom National Institute for Informatics in Tokyo eine neue Quantencomputer-Architektur aus winzigen Diamanten vor.


Ein neues Quantencomputer-Konzept wurde vorgestellt

TU Wien


Quanten-Operationen, die auf Stickstoffatomen in Diamant basieren, werden an der TU Wien bereits durchgeführt, weitere Experimente sind in Vorbereitung.

TU Wien

Für einen verlässlich arbeitenden Quantencomputer müssten Milliarden einzelne Quantensysteme verwendet werden, der Weg dorthin ist noch weit. Das Team ist allerdings überzeugt, dass die Elemente der nun vorgestellten Architektur besser als bisherige Quantencomputer-Ideen geeignet sind, miniaturisiert und in großer Anzahl auf einem Chip untergebracht zu werden. Experimente dazu sind an der TU Wien bereits geplant.

Zerbrechliche Quantenüberlagerungen

Seit Jahrzehnten wird an Konzepten gearbeitet, quantenmechanische Systeme für logische Berechnungen zu verwenden. „Ein Bit in einem gewöhnlichen Computer kann immer nur entweder den Wert null oder eins annehmen. In der Quantenphysik sind allerdings Überlagerungen verschiedener Zustände erlaubt – ein Quanten-Bit („QBit“) kann sich daher im Zustand null und gleichzeitig im Zustand eins befinden, wodurch sich fantastische Rechenkapazitäten ergeben würden“, erklärt Prof. Jörg Schmiedmayer vom Atominstitut der TU Wien.

Realisieren kann man solche Überlagerungszustände mit unterschiedlichen Systemen – etwa mit Ionen, die man in elektromagnetischen Fallen festhält oder mit supraleitenden Quanten-Bits. Die Architektur, die nun im Journal „Physical Review X “ vorgestellt wurde, ist eine andere:

In einem hauchdünnen Diamantplättchen wird an mehreren Stellen jeweils ein einzelnes Stickstoff-Atom eingebaut, dessen Spin verschiedene Zustände annehmen kann. Jedes Stickstoffatom wird in einem optischen Resonator, bestehend aus zwei Spiegeln, eingesperrt. Über Glasfaserleitungen kann man Photonen in Kontakt mit dem Quantensystem aus Spiegeln und Diamant bringen. So lässt sich der Quantenzustand des Systems manipulieren und auslesen, ohne dass die Quanteneigenschaften durch Dekohärenzeffekte im Diamant zerstört werden.

Realistische Quantencomputer-Konzepte brauchen Fehlerkorrektur

Jedes einzelne dieser Systeme aus Spiegeln, Diamant und eingebautem Stickstoff-Atom kann ein Quanten-Bit an Information tragen – also null, eins, oder eine beliebige Überlagerung davon. Doch ein solches Quanten-Bit ist extrem instabil. Damit die Information zuverlässig verarbeitet kann, braucht man spezielle Quantenfehlerkorrektur-Verfahren. „Verwendet man Fehlerkorrekturen, kommt man beim Speichern eines Quanten-Bits nicht mehr in einem einzelnen Quantenteilchen aus, man braucht eine komplizierte Architektur aus vielen miteinander verbundenen Systemen“, sagt Michael Trupke (TU Wien).

Das Forschungsteam berechnete, wie man die einzelnen Elemente aus Spiegeln und Diamanten mit Stickstoffatomen zu einem fehlerresistenten zweidimensionalen Quantensystem zusammenfügen könnte, einem sogenannten „topologisch geschützten Quantencomputer“. Nach den Berechnungen wären etwa 4,5 Milliarden dieser Quantensysteme nötig, um zum Beispiel den Algorithmus „Shor-2048“ auf dem Quantencomputer laufen zu lassen, mit dem Primfaktoren von 2048-Bit-Zahlen berechnet werden können.

Diese gewaltige Zahl an Quanten-Elementen ist bei allen Quantencomputer-Architekturen notwendig, egal ob man mit Ionenfallen, supraleitenden QBits oder mit Stickstoff-Spins in Diamanten arbeitet. „Bei unserer Architektur weiß man allerdings im Prinzip, wie man sie verkleinern kann. Sie hat ein großes Potenzial zur Miniaturisierung und Massenproduktion“, meint Michael Trupke. „Es gibt heute ganze Industriezweige, die mit Diamanten arbeiten, die Forschung schreitet hier rasch voran. Es gibt noch viele Probleme zu lösen, aber die Verschaltung von Stickstoff-Spins in Festkörpern zeigt zumindest einen Weg auf, der aus heutiger Sicht zum Quantencomputer führen könnte.“

Auch der Transistor war nur der Anfang

Trupke vergleicht die Situation der Quantencomputer-Forschung mit der frühen Computertechnik: „Als man die ersten Transistoren herstellte, konnte man sich auch noch nicht vorstellen, wie es je gelingen kann, Milliarden von ihnen auf einem Chip unterzubringen, und heute tragen wir solche Chips in der Hosentasche mit uns herum. Unsere Stickstoff-Spins in Diamant könnten eine ähnliche Rolle spielen wie die Transistoren in der klassischen Computertechnik.“

An der TU Wien arbeitet man nun daran, kleine Versionen dieser Architektur experimentell herzustellen. „Ein riesengroßer Vorteil für uns ist, dass es an der TU Wien eine ganze Reihe international angesehener Forschungsgruppen aus dem Materialtechnologie- und Quantenbereich gibt, mit denen wir zusammenarbeiten“, sagt Jörg Schmiedmayer. Am Institut für Angewandte Physik der TU Wien arbeitet Prof. Friedrich Aumayr daran, Stickstoffatome auf die gewünschte Weise in Diamanten einzubauen, Prof. Peter Mohn liefert mit Hilfe von Computersimulationen wichtige numerische Daten dazu. In Zusammenarbeit mit Prof. Ulrich Schmid werden am Zentrum für Mikro- und Nanostrukturen (ZMNS) der TU Wien die Resonatoren hergestellt, im Röntgenzentrum werden Materialuntersuchungen durchgeführt.

Auch wenn die Implementierung eines Algorithmus wie Shor-2048 noch in ferner Zukunft liegen dürfte – die Verschränkung von Bauelementen zu größeren Cluster-Zellen sollte in den nächsten Jahren bereits gelingen. „Letztlich kommt es darauf an, ob wir es schaffen, die Quantentechnologie in ein Zeitalter der Massenproduktion und Miniaturisierung zu führen“, sagt Jörg Schmiedmayer. „Ich sehe keine physikalischen Gesetze, die uns prinzipiell davon abhalten sollten.“

Rückfragehinweis:
Prof. Jörg Schmiedmayer
Atominstitut
Technische Universität Wien
Stadionallee 2, 1020 Wien
T: +43-1-58801-141801
hannes-joerg.schmiedmayer@tuwien.ac.at

Dr. Michael Trupke
Atominstitut
Technische Universität Wien
Stadionallee 2, 1020 Wien
T: +43-1-58801-141872
michael.trupke@tuwien.ac.at

Weitere Informationen:

http://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.4.031022 Originalpublikation in PRX
http://arxiv.org/pdf/1309.0023v2.pdf Hintergrundpaper zur verwendeten Quantentechnologie

Dr. Florian Aigner | Technische Universität Wien

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Optisches Nanoskop ermöglicht Abbildung von Quantenpunkten
23.01.2018 | Universität Basel

nachricht Reisetauglicher Laser
22.01.2018 | Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)

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: Optisches Nanoskop ermöglicht Abbildung von Quantenpunkten

Physiker haben eine lichtmikroskopische Technik entwickelt, mit der sich Atome auf der Nanoskala abbilden lassen. Das neue Verfahren ermöglicht insbesondere, Quantenpunkte in einem Halbleiter-Chip bildlich darzustellen. Dies berichten die Wissenschaftler des Departements Physik und des Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel zusammen mit Kollegen der Universität Bochum in «Nature Photonics».

Mikroskope machen Strukturen sichtbar, die dem menschlichen Auge sonst verborgen blieben. Einzelne Moleküle und Atome, die nur Bruchteile eines Nanometers...

Im Focus: Optical Nanoscope Allows Imaging of Quantum Dots

Physicists have developed a technique based on optical microscopy that can be used to create images of atoms on the nanoscale. In particular, the new method allows the imaging of quantum dots in a semiconductor chip. Together with colleagues from the University of Bochum, scientists from the University of Basel’s Department of Physics and the Swiss Nanoscience Institute reported the findings in the journal Nature Photonics.

Microscopes allow us to see structures that are otherwise invisible to the human eye. However, conventional optical microscopes cannot be used to image...

Im Focus: Vollmond-Dreierlei am 31. Januar 2018

Am 31. Januar 2018 fallen zum ersten Mal seit dem 30. Dezember 1982 "Supermond" (ein Vollmond in Erdnähe), "Blutmond" (eine totale Mondfinsternis) und "Blue Moon" (ein zweiter Vollmond im Kalendermonat) zusammen - Beobachter im deutschen Sprachraum verpassen allerdings die sichtbaren Phasen der Mondfinsternis.

Nach den letzten drei Vollmonden am 4. November 2017, 3. Dezember 2017 und 2. Januar 2018 ist auch der bevorstehende Vollmond am 31. Januar 2018 ein...

Im Focus: Maschinelles Lernen im Quantenlabor

Auf dem Weg zum intelligenten Labor präsentieren Physiker der Universitäten Innsbruck und Wien ein lernfähiges Programm, das eigenständig Quantenexperimente entwirft. In ersten Versuchen hat das System selbständig experimentelle Techniken (wieder)entdeckt, die heute in modernen quantenoptischen Labors Standard sind. Dies zeigt, dass Maschinen in Zukunft auch eine kreativ unterstützende Rolle in der Forschung einnehmen könnten.

In unseren Taschen stecken Smartphones, auf den Straßen fahren intelligente Autos, Experimente im Forschungslabor aber werden immer noch ausschließlich von...

Im Focus: Artificial agent designs quantum experiments

On the way to an intelligent laboratory, physicists from Innsbruck and Vienna present an artificial agent that autonomously designs quantum experiments. In initial experiments, the system has independently (re)discovered experimental techniques that are nowadays standard in modern quantum optical laboratories. This shows how machines could play a more creative role in research in the future.

We carry smartphones in our pockets, the streets are dotted with semi-autonomous cars, but in the research laboratory experiments are still being designed by...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Leichtbau zu Ende gedacht – Herausforderung Recycling

23.01.2018 | Veranstaltungen

Die Flugerprobung des Airbus A320neo

23.01.2018 | Veranstaltungen

15. BF21-Jahrestagung „Mobilität & Kfz-Versicherung im Fokus“

22.01.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Optisches Nanoskop ermöglicht Abbildung von Quantenpunkten

23.01.2018 | Physik Astronomie

Neue Formeln zur Erforschung der Altersstruktur nicht-linearer dynamischer Systeme

23.01.2018 | Interdisziplinäre Forschung

Dreifachblockade am Glioblastom

23.01.2018 | Medizin Gesundheit

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics