Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Quanten-Rechnen: Fragil und doch fehlerfrei

13.06.2014

In enger Zusammenarbeit haben spanische und österreichische Physiker im Labor ein Quantenbit in verschränkten Zuständen mehrerer Teilchen kodiert und damit erstmals einfache Rechnungen durchgeführt. Das siebenteilige Quantenregister könnte als Grundbaustein für einen Quantencomputer dienen, der beliebige Fehler korrigieren kann. Die Forscher berichten darüber in der Fachzeitschrift Science.

Auch Computer sind fehleranfällig. Schon kleine Störungen können gespeicherte Informationen verändern und das Rechenergebnis verfälschen. Deshalb nutzen Computer spezielle Verfahren, mit denen Fehler laufend entdeckt und korrigiert werden können.


Das Modell aus sieben Atomen zur Speicherung eines logischen Quantenbits kann als Grundbaustein für sehr viel größere Quantensysteme dienen. Je größer das Gitter wird, umso robuster wird es. IQOQI/Harald Ritsch

Auch ein zukünftiger Quantencomputer benötigt eine Fehlerkorrektur: „Quantenphysikalische Phänomene sind sehr fragil und störungsanfällig, Fehler können sich rasch ausbreiten und einen Rechner aus dem Tritt bringen“, sagt Thomas Monz aus der Forschungsgruppe um Rainer Blatt vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck.

Gemeinsam mit Markus Müller und Miguel Ángel Martín-Delgado vom Institut für Theoretische Physik der Complutense-Universität in Madrid haben die Innsbrucker Physiker ein neues Fehlerkorrektur-Verfahren entwickelt und im Labor erprobt. „Ein Quantenbit ist nicht nur sehr komplex und kann nicht einfach kopiert werden, sondern darüber hinaus sind Fehler in der Quantenwelt vielfältiger und schwieriger zu bekämpfen als in heutigen Computern,“ betont Monz.

„Um allgemeine Fehler in einem Quantencomputer erkennen und korrigieren zu können, bedarf es sehr ausgefeilter, sogenannter Quanten-Fehlerkorrekturcodes." Der im aktuellen Experiment verwendete topologische Code wurde von der Gruppe um Martín-Delgado in Madrid vorgeschlagen und ordnet die Teilchen auf einem zweidimensionalen Gitter an, wo sie mit ihren jeweiligen Nachbarn wechselwirken können.

Quantenbit aufgeteilt

Im Labor an der Universität Innsbruck nutzen die Physiker eine Ionenfalle, in der sieben Kalziumatome gefangen, mit Hilfe von Lasern nahe an den absoluten Nullpunkt abgekühlt und präzise kontrolliert werden können. Die Forscher speichern die fragilen Quantenzustände des logischen Quantenbits in den verschränkten Zuständen dieser Teilchen, wobei der Quanten-Fehlerkorrekturcode das Programm hierfür liefert.

„Das logische Quantenbit in diese sieben physikalischen Quantenbits zu kodieren, war eine wirkliche experimentelle Herausforderung“, erzählt Daniel Nigg aus der Forschungsgruppe von Rainer Blatt. Die Physiker taten dies in drei Schritten, wobei mit einer komplexen Sequenz von Laserpulsen jeweils vier benachbarte Quantenbits miteinander verschränkt wurden.

„Es ist hier zum ersten Mal gelungen, sieben Atome ganz gezielt für die Speicherung eines einzigen Quantenbits zu verwenden“, ist Markus Müller begeistert, der 2011 von Innsbruck an die Complutense-Universität in Madrid wechselte. „Mit den auf diese Weise verschränkten Atomen erhält man genügend Informationen für eine anschließende Fehlerkorrektur und mögliche Rechenoperationen.“

Fehlerfreies Rechnen

In einem weiteren Schritt überprüften die Physiker die Möglichkeit, verschiedene Arten von Fehlern zu erkennen und zu korrigieren. „Wir konnten zeigen, dass wir alle in einem solchen Quantensystem möglichen Fehler unabhängig voneinander für jedes Teilchen einzeln erkennen und korrigieren können“, erzählt Daniel Nigg. „Dazu benötigen wir nur Information über Korrelationen zwischen den Teilchen, aber keine Messungen der einzelnen Teilchen“, erklärt Niggs Kollege Esteban Martinez.

Die Physiker konnten aber nicht nur einzelne Fehler zuverlässig detektieren. Es gelang ihnen erstmals auch, einzelne Rechenschritte und sogar längere Rechenoperationen auf einem so kodierten Quantenbit durchzuführen. Sobald die Hürde der aufwändigen Kodierung einmal überwunden ist, sind für einzelne Rechenschritte jeweils nur noch einfache Ein-Qubit-Operationen notwendig.

„Wir können hier mit diesem Quantencode erstmals einfache Quantenrechnungen durchführen und gleichzeitig alle möglichen Fehler korrigieren“, beschreibt Thomas Monz diesen bedeutenden Durchbruch auf dem Weg zu einem verlässlichen, fehlertoleranten Quantenrechner.

Grundlage für weitere Entwicklungen

Der von den spanischen und österreichischen Physikern gemeinsam entwickelte Ansatz bildet eine vielversprechende Grundlage für weitere Entwicklungen. „Das Modell aus sieben Atomen zur Speicherung eines logischen Quantenbits kann als Grundbaustein für sehr viel größere Quantensysteme dienen“, sagt Theoretiker Müller. „Je größer das Gitter wird, umso robuster wird es. Am Ende könnte ein Quantenrechner stehen, der beliebig lange rechnen kann, ohne dass Fehler ihn aus dem Tritt bringen.“

Das aktuelle Experiment eröffnet aber nicht nur Perspektiven für weitere technologische Entwicklungen. „Hier tun sich auch ganz neue Fragen auf, mit welchen Methoden solche großen logischen Quantenbits überhaupt charakterisiert werden können“, blickt Rainer Blatt bereits in die Zukunft. „Auch wollen wir gemeinsam die verwendeten Quantencodes weiterentwickeln und für noch umfangreichere Rechenoperationen optimieren“, ergänzt Martín-Delgado.

Finanziell unterstützt wurden die Forscher unter anderem vom spanischen Wissenschaftsministerium, dem österreichischen Wissenschaftsfonds FWF, der US-Regierung, der Europäischen Kommission und der Tiroler Industrie.

Publikation: Quantum Computations on a Topologically Encoded Qubit. Daniel Nigg, Markus Müller, Esteban A. Martinez, Philipp Schindler, Markus Hennrich, Thomas Monz, Miguel Angel Martin-Delgado, and Rainer Blatt. Science Express am 12. Juni 2014 DOI: 10.1126/science.1253742 (arXiv:1403.5426)

Rückfragehinweis:
Thomas Monz
Institut für Experimentalphysik
Universität Innsbruck
Telefon: +43 512 507 52452
E-Mail: thomas.monz@uibk.ac.at

Markus Müller
Departamento de Fisica Teórica I
Universidad Complutense Madrid
Telefon: +34 91 394 4569
E-Mail: mueller@ucm.es

Dr. Christian Flatz
Büro für Öffentlichkeitsarbeit
Universität Innsbruck
Telefon: +43 512 507 32022
Mobil: +43 676 872532022
E-Mail: christian.flatz@uibk.ac.at

Weitere Informationen:

http://dx.doi.org/10.1126/science.1253742 - Quantum Computations on a Topologically Encoded Qubit. Daniel Nigg, Markus Müller, Esteban A. Martinez, Philipp Schindler, Markus Hennrich, Thomas Monz, Miguel Angel Martin-Delgado, and Rainer Blatt. Science Express am 12. Juni 2014
http://www.quantumoptics.at - Quantum Optics and Spectroscopy Group

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

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Proteintransport - Stau in der Zelle
24.03.2017 | Ludwig-Maximilians-Universität München

nachricht Neuartige Halbleiter-Membran-Laser
22.03.2017 | Universität Stuttgart

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: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Im Focus: Designer-Proteine falten DNA

Florian Praetorius und Prof. Hendrik Dietz von der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sie definierte Hybrid-Strukturen aus DNA und Proteinen aufbauen können. Die Methode eröffnet Möglichkeiten für die zellbiologische Grundlagenforschung und für die Anwendung in Medizin und Biotechnologie.

Desoxyribonukleinsäure – besser bekannt unter der englischen Abkürzung DNA – ist die Trägerin unserer Erbinformation. Für Prof. Hendrik Dietz und Florian...

Im Focus: Fliegende Intensivstationen: Ultraschallgeräte in Rettungshubschraubern können Leben retten

Etwa 21 Millionen Menschen treffen jährlich in deutschen Notaufnahmen ein. Im Kampf zwischen Leben und Tod zählt für diese Patienten jede Minute. Wenn sie schon kurz nach dem Unfall zielgerichtet behandelt werden können, verbessern sich ihre Überlebenschancen erheblich. Damit Notfallmediziner in solchen Fällen schnell die richtige Diagnose stellen können, kommen in den Rettungshubschraubern der DRF Luftrettung und zunehmend auch in Notarzteinsatzfahrzeugen mobile Ultraschallgeräte zum Einsatz. Experten der Deutschen Gesellschaft für Ultraschall in der Medizin e.V. (DEGUM) schulen die Notärzte und Rettungsassistenten.

Mit mobilen Ultraschallgeräten können Notärzte beispielsweise innere Blutungen direkt am Unfallort identifizieren und sie bei Bedarf auch für Untersuchungen im...

Im Focus: Gigantische Magnetfelder im Universum

Astronomen aus Bonn und Tautenburg in Thüringen beobachteten mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg Galaxienhaufen, das sind Ansammlungen von Sternsystemen, heißem Gas und geladenen Teilchen. An den Rändern dieser Galaxienhaufen fanden sie außergewöhnlich geordnete Magnetfelder, die sich über viele Millionen Lichtjahre erstrecken. Sie stellen die größten bekannten Magnetfelder im Universum dar.

Die Ergebnisse werden am 22. März in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum, mit einer Ausdehnung von etwa zehn Millionen Lichtjahren. Im Vergleich dazu ist...

Im Focus: Giant Magnetic Fields in the Universe

Astronomers from Bonn and Tautenburg in Thuringia (Germany) used the 100-m radio telescope at Effelsberg to observe several galaxy clusters. At the edges of these large accumulations of dark matter, stellar systems (galaxies), hot gas, and charged particles, they found magnetic fields that are exceptionally ordered over distances of many million light years. This makes them the most extended magnetic fields in the universe known so far.

The results will be published on March 22 in the journal „Astronomy & Astrophysics“.

Galaxy clusters are the largest gravitationally bound structures in the universe. With a typical extent of about 10 million light years, i.e. 100 times the...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungen

Lebenswichtige Lebensmittelchemie

23.03.2017 | Veranstaltungen

Die „Panama Papers“ aus Programmierersicht

22.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Förderung des Instituts für Lasertechnik und Messtechnik in Ulm mit rund 1,63 Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise

TU-Bauingenieure koordinieren EU-Projekt zu Recycling-Beton von über sieben Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise