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Quantencomputer

Glass Orb with Patterns; Photo by Michael Dziedzic on Unsplash

Die digitale Welt der klassischen Computer -wie wir sie heute kennen- lässt sich im Grunde durch nichts anderes als eine Abfolge von binären Zuständen, Einsen und Nullen, ein und aus, abbilden. Der Zustand dieser sogenannten Bits ist immer eindeutig, das Licht ist immer an oder aus. Ein Bit kann niemals zwei Zustände gleichzeitig besitzen.

Quantencomputer basieren ebenso auf den Zuständen „1“ und „0“, diese werden jedoch mit quantenmechanischen Eigenschaften von Atomen, Elektronen oder auch Photonen kodiert. Diese werden dann als QuBits (Quantenbits) bezeichnet. In der Quantenmechanik kann nun ein QuBit nicht nur absolute Werte von Eins und Null annehmen, sondern ebenso Mischformen im zwei-dimensionalen Raum. Diese Überlagerung nennt man Superposition.

Diese QuBits sind jedoch ebenso äußerst empfindliche Informationszustände, die es mit aktuell hohem technischen Aufwand für einen gewissen Zeitraum fehlerarm zu erhalten gilt. Zum aktuellen Zeitpunkt (Frühjahr 2021) bedeutet dies eine Menge von bis zu 100 QuBits über einen Zeispanne von Sekunden oder Minuten zu erhalten.

Der Einfluss externer magnetischer oder elektrischer Felder oder z.B. hohe Temperaturen bzw. Wechselwirkungen mit anderen QuBits (crosstalk) verursachen QuBit-Fehler, welche nur äußerst eingeschränkt korrigiert werden können.

Nun gibt es verschiedene Möglichkeiten QuBits physikalisch-technisch zu erzeugen und zu erhalten. So können QuBits mit supraleitenden Materialien betrieben werden, in Ionen-Fallen durch elektromagnetische Felder stabilisiert sein, oder z.B. durch orthogonale Polarisation von Photonen, durch Manipulation des Atomkern-Spins und Halbleiterstrukturen erzeugt werden.

Letzte Fortschritte beim Bau von Quantencomputern:

  • Google hat publikumswirksam im Jahre 2019 den Google Sycamore Prozessor mit 53 QuBits präsentiert.
  • Ein Quantencomputer von IBM-Q wird derzeit in Stuttgart aufgebaut und soll mit 20 QuBits arbeiten; derzeit testet IBM darüber hinaus einen Chip mit 50 supraleitenden QuBits.
  • Im EU-Projekt AQTION wird an der Uni-Innsbruck ein Quantencomputer entwickelt, der auf der Speicherung einzelner geladener Atome und deren Manipulation mit Laserlicht basiert. Verwendet wird aktuell ein Prozessor, der bis zu 50 QuBits unterstützt.
  • In einer Kooperation mit Google arbeitet das FZ Jülich an einem 50-100 QuBit Quantencomputer.

Quellen

P. Kaufmann, S. Naegele-Jackson, II. Quantenrevolution – die Welt der Qubits: DFN-Mitteilungen Ausgabe 99 Juni 20/21 Seite 22

Stand: 07.06.21