Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Störungen erwünscht!

21.07.2009
Ein neuartiges Konzept für universelle Quantencomputer profitiert von dissipativen Prozessen.

Bereits einfache Systeme aus mehreren Quantenteilchen können nicht mehr mit Hilfe klassischer Computer beschrieben werden. Desto schwieriger ist es, das Verhalten komplexer Vielteilchensysteme zu verstehen.

Einen Ausweg sollen hier Quantencomputer weisen, in denen die klassischen Bits durch Quantenteilchen ersetzt sind. Nach bisherigen Vorstellungen ist eine Grundvoraussetzung für die Realisierung eines universellen Quantencomputers, dass das System aus Quantenteilchen extrem gut von der Umgebung isoliert ist. Dies stellt eine große Herausforderung für die Experimentalphysik dar.

Eine neues, von Prof. Ignacio Cirac, Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik und Leiter der Theorie-Abteilung, und seinen ehemaligen Mitarbeitern Dr. Michael Wolf (jetzt Wissenschaftler am Nils-Bohr-Institut in Kopenhagen) sowie Prof. Frank Verstraete (jetzt Universität Wien) entwickeltes Konzept stellt diese Überlegungen gewissermaßen auf den Kopf.

In einer soeben in der Zeitschrift Nature Physics (AOP 20. Juli 2009, DOI 10.1038/NPHYS1342) erschienenen Arbeit entwickeln die Wissenschaftler Konzepte, in denen Störungen des Systems durch die Umgebung geradezu die Voraussetzung für effektives 'Quantum Computing' sind. Noch handelt es sich dabei um einen allgemeinen Machbarkeitsnachweis. Das Konzept, das eventuell den universellen Quantencomputer seiner Verwirklichung ein Stück näher bringt, lässt sich jedoch mit Experimenten an atomaren Quantengasen oder Ionenfallen überprüfen.

Der typische 'Standard-Quantencomputer' basiert auf einem System aus Quantenteilchen, die der Speicherung und Kodierung von Informationen dienen. Dabei wird ausgenützt, dass sich die Quantenbits im Unterschied zu klassischen Bits nicht nur in den Zuständen '1' oder '0' befinden können, sondern auch in allen möglichen Superpositionen dieser Zustände. Alle Veränderungen dieser Zustände sind umkehrbar (im Fachjargon: unitär). Konventionelle Schaltkreise in solchen Quantencomputern sind Quantengatter, die immer zwei Qubits miteinander verschränken. Problematisch wird es, wenn das System an die Umgebung Informationen verliert. Diese sogenannte 'Dissipation' zerstört Quanteneffekte wie Superposition und Verschränkung, die für die Speicherung, Verschlüsselung, Verarbeitung und Übertragung von Quanteninformation benötigt werden. Störungen sind hier also unerwünscht, weshalb das Quantensystem von der Umgebung möglichst gut entkoppelt sein muss.

In dem von Cirac, Verstraete und Wolf propagierten Modell ist aber gerade die Dissipation die Voraussetzung für effizientes 'Quantum Computing' sowie die Erzeugung von beliebigen Quantenzuständen, und zwar ohne die Beteiligung anderer kohärenter dynamischer Prozesse. Ausgangspunkt ist auch hier ein System aus Qubits, das jetzt aber auf Grund von Wechselwirkung mit der Umgebung über dissipative Prozesse Information verliert. Infolgedessen entwickelt es sich im Laufe der Zeit auf einen Fixpunkt, d.h. einen dauerhaften stationären Zustand, hin. Dies lässt sich für Quantenrechnungen nutzen.

Dabei wird die Dissipationsdynamik je nach Wunsch "maßgeschneidert", d.h. der Fixpunkt könnte den Grundzustand des Systems darstellen, er könnte ein bestimmter Zustand sein, den man präparieren möchte, oder er kann z.B. das Rechenergebnis enthalten. Ein wesentlicher Vorteil dieses Ansatzes liegt darin, dass bei rein dissipativen Prozessen der Endzustand unabhängig von den Anfangsbedingungen und somit auch unabhängig von eventuellen Störungen auf dem Weg dahin erreicht wird. Dies macht das 'Dissipative Quantum Computing' besonders widerstandsfähig und verleiht ihm eine inhärente Störungsunempfindlichkeit.

Obwohl weder reine Quantenzustände noch unitäre Prozesse erforderlich sind, erweisen sich dissipative Quantensysteme den konventionellen Quantenschaltkreisen als gleichwertig in Bezug auf die erzielbare Rechenleistung. Die Methode ist sogar besonders gut geeignet für die Präparation interessanter Grundzustände: sogenannte 'topologische Systeme' bilden z.B. eine Klasse von exotischen Zuständen, die bei neuartigen Quanteneffekten wie dem fraktionalen Quantenhalleffekt eine wesentliche Rolle spielen.

Noch handelt es sich bei den vorliegenden Untersuchungen um eine grundlegende Machbarkeitsstudie, die zeigt, dass die Dissipation eine neue Möglichkeit bietet, Quantenrechnungen durchzuführen oder gezielt Zustände zu erzeugen. Dahinter steckt jedoch die Idee, das Konzept auf Systeme anzuwenden, in denen Atome oder Ionen als Qubits dienen, z.B. atomare kalte Gase in optischen Gittern oder Ionen in elektromagnetischen Fallen. "Dieses Modell von 'Quantum Computation' widerspricht fast allen Anforderungen, die wir bislang für die Umsetzung solcher Geräte für notwendig hielten", betont Prof. Cirac. "Es könnte zu einer Entwicklung von Quantencomputern führen, die entweder besonders stabil oder besonders einfach zu implementieren sind. Das wichtigste ist aber, dass das neue Konzept eine völlig neue Perspektive bietet, wie Quantencomputer in Zukunft in der Praxis funktionieren könnten." [Olivia Meyer-Streng]

Originalveröffentlichung:
Frank Verstraete, Michael M.Wolf and J. Ignacio Cirac
Quantum computation and quantum-state engineering driven by dissipation
Nature Physics, Advance Online Publication, 20. Juli 2009, DOI 10.1038/NPHYS1342
Kontakt:
Prof. Dr. Ignacio Cirac
Professor für Physik, TU München,
Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Straße 1
85748 Garching
Telefon: +49 - 89 / 32905 705 / 736
Fax: +49 - 89 / 32905 336
E-Mail: ignacio.cirac@mpq.mpg.de
Dr. Olivia Meyer-Streng
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Telefon: +49 - 89 / 32905 213
Fax: +49 - 89 / 32905 200
E-Mail: olivia.meyer-streng@mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng | idw
Weitere Informationen:
http://www.mpq.mpg.de/cirac

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Eine Extra-Sekunde zum neuen Jahr
08.12.2016 | Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)

nachricht Heimcomputer entdecken rekordverdächtiges Pulsar-Neutronenstern-System
08.12.2016 | Max-Planck-Institut für Radioastronomie

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: Rätsel um Mott-Isolatoren gelöst

Universelles Verhalten am Mott-Metall-Isolator-Übergang aufgedeckt

Die Ursache für den 1937 von Sir Nevill Francis Mott vorhergesagten Metall-Isolator-Übergang basiert auf der gegenseitigen Abstoßung der gleichnamig geladenen...

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...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Firmen- und Forschungsnetzwerk Munitect tagt am IOW

08.12.2016 | Veranstaltungen

NRW Nano-Konferenz in Münster

07.12.2016 | Veranstaltungen

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Einzelne Proteine bei der Arbeit beobachten

08.12.2016 | Biowissenschaften Chemie

Intelligente Filter für innovative Leichtbaukonstruktionen

08.12.2016 | Messenachrichten

Seminar: Ströme und Spannungen bedarfsgerecht schalten!

08.12.2016 | Seminare Workshops