In diesem Quantencomputer vibriert der Speicher wie eine Gitarrensaite

Im Gegensatz zu den Klängen eines Musikinstruments treten diese Schwingungen bei Frequenzen auf, die weit über dem menschlichen Gehör liegen. Sie finden innerhalb eines winzigen Quantenchips statt, wo sie als neue Form von Computerspeicher dienen.

Durch die Nutzung dieser Vibrationen haben die Forscher einen Weg für Quantencomputer geschaffen, Informationen effizient zu verarbeiten und gleichzeitig auf einen flexiblen Arbeitsspeicher zuzugreifen. „Die Wechselwirkung zwischen dem Quantenprozessor und dem Quantenspeicher bildet eine entscheidende Grundlage mit Blick darauf, Quantencomputer als leistungsstarke und zuverlässige Methode zur Durchführung von Berechnungen zu etablieren, die mit herkömmlichen Computern nicht machbar sind“, sagt Yiwen Chu.

Der im Fachjournal Science beschriebene Durchbruch stellt einen anderen Ansatz für das Design von Quantencomputern vor. Anstatt die Informationsverarbeitung und -speicherung eng zu integrieren, wie es viele bestehende Systeme tun, hat Chus Team eine Architektur entwickelt, die diesen Funktionen deutlich getrenntere Rollen zuweist.

Quantenspeicher nach dem Vorbild herkömmlicher Computer

Die Forscher ließen sich vom grundlegenden Design alltäglicher digitaler Computer inspirieren. In einer herkömmlichen Maschine führt die Zentraleinheit (CPU) Berechnungen aus, während Informationen separat im Arbeitsspeicher gehalten werden, der gemeinhin als Random Access Memory (RAM) bezeichnet wird. Die Anordnung dieser Komponenten spielt eine wichtige Rolle dabei, wie effizient ein Computer arbeitet.

Chus Quantensystem folgt einem ähnlichen Prinzip. Ein supraleitendes Qubit fungiert als Verarbeitungs- und Steuereinheit und übernimmt eine Rolle, die mit der der Zentraleinheit (CPU) vergleichbar ist. Währenddessen hält ein separater Quantenspeicher vorübergehend die während der Berechnungen benötigten Informationen bereit, sodass der Prozessor sie bei Bedarf abrufen und ändern kann.

Der Hauptunterschied liegt darin, wie diese Informationen gespeichert werden.

„In unserem Quantenarbeitsspeicher werden Informationen jedoch nicht elektromagnetisch gespeichert – wie es heute üblich ist –, sondern in Form von mechanischen Vibrationen“, erklärt Chu.

Quantencomputer nutzen ungewöhnliche Eigenschaften der Quantenphysik, darunter die Superposition, die es Quantensystemen ermöglicht, in Kombinationen verschiedener Zustände zu existieren, und die Verschränkung, die starke Verbindungen zwischen Quantenzuständen schafft. Diese Effekte könnten es Quantenmaschinen schließlich ermöglichen, bestimmte extrem komplizierte Berechnungen viel schneller als herkömmliche Computer zu bewältigen, einschließlich einiger Probleme, die derzeit außerhalb ihrer praktischen Möglichkeiten liegen.

Warum vibrierende Quantenspeicher besser sein könnten

Eine der größten Herausforderungen beim Quantencomputing besteht darin, eine präzise Kontrolle über Quanteninformationen zu behalten. Die für Berechnungen verwendeten Zustände sind empfindlich, und schon kleine Störungen können zum Informationsverlust führen. Um Berechnungen zuverlässig durchzuführen, müssen Prozessor und Speicher eng genug interagieren, um Quantenzustände mit hoher Präzision zu übertragen und zu manipulieren.

In dem neuen System halten mikroskopische Strukturen, sogenannte mechanische Resonatoren, Informationen in bestimmten Vibrationsmustern fest. Wenn das supraleitende Qubit diese Informationen benötigt, greift es auf den gespeicherten Vibrationszustand zu, führt die erforderliche Operation aus und gibt die geänderten Informationen an den Speicher zurück.

Viele bestehende Quantencomputer verwenden stattdessen elektromagnetische Speicher neben supraleitenden Qubits. Forscher verstehen diese Technologien gut, und sie können kombiniert werden, um eine extrem genaue Kontrolle über Quantenzustände zu ermöglichen, einschließlich des Lesens, Änderns und Manipulierens gespeicherter Informationen.

Elektromagnetische Speichersysteme haben jedoch einen erheblichen Nachteil. Sie können beträchtlichen Platz beanspruchen, was es schwierig macht, experimentelle Quantengeräte zu den größeren, leistungsfähigeren Computern auszubauen, die Forscher und Industrien letztendlich benötigen.

Mechanische Resonatoren bieten mehrere potenzielle Vorteile. Sie sind wesentlich kleiner, was kompaktere Designs ermöglicht. Sie können auch zahlreiche verschiedene Vibrationsmuster unterstützen, was Möglichkeiten bietet, mehr Informationen gleichzeitig zu speichern als herkömmliche elektromagnetische Speicher.

Ein weiterer wichtiger Vorteil ist, dass mechanische Schwingungen Quantenzustände über längere Zeiträume bewahren können, bevor die gespeicherten Informationen zu verblassen beginnen. Längere Speicherzeiten könnten es erleichtern, komplizierte Berechnungen durchzuführen, bei denen Informationen über mehrere Verarbeitungsschritte hinweg verfügbar bleiben müssen.

Neuer Quantencomputer besteht wichtige Tests

Die in Science veröffentlichte Forschung liefert den ersten experimentellen Nachweis dafür, dass mechanische Resonatoren mit supraleitenden Qubits zusammenarbeiten können, um Quantenberechnungen durchzuführen. Die Ergebnisse belegen, dass vibrationsbasierte Speicher eine machbare Alternative zur elektromagnetischen Speicherung sind.

Die Errungenschaft geht über die einfache Speicherung von Informationen hinaus. Chus Team demonstrierte, dass seine Architektur sowohl relativ einfache Berechnungen als auch anspruchsvollere Quantenoperationen bewältigen kann.

Um das System zu bewerten, testeten die Forscher zwei wichtige Rechentechniken: die Quanten-Fourier-Transformation und die Periodensuche. Beides sind grundlegende Werkzeuge im Quantencomputing und erfordern, dass ein Computer mehrere Quantenzustände mit erheblicher Präzision koordiniert.

„Die Quanten-Fourier-Transformation ist ein grundlegendes Rechenverfahren, das für viele Quantenalgorithmen erforderlich ist. Der von uns implementierte Periodensuch-Algorithmus diente als Demonstration dafür, wie dieses Verfahren angewendet werden kann“, erklärt Igor Kladaric, Doktorand in Chus Team und Co-Autor der Publikation.

Der erfolgreiche Abschluss dieser Aufgaben erfordert, dass das System kohärente Beziehungen zwischen mehreren Quantenzuständen gleichzeitig speichert, steuert und aufrechterhält. Die Experimente zeigten, dass die neue Architektur diese Anforderungen erfüllen kann, was ein starker Beleg dafür ist, dass sie echtes Quantencomputing unterstützen kann und nicht nur als Speichergerät fungiert.

Ein vielversprechender Schritt hin zu leistungsstarken Quantencomputern

Eines der wichtigsten Ergebnisse ist, dass das neue System im Prinzip alle grundlegenden Operationen ausführen kann, die für beliebige Quantenberechnungen erforderlich sind. Dies bedeutet, dass die Architektur über die wesentlichen Fähigkeiten verfügt, die für einen programmierbaren Allzweck-Quantencomputer erforderlich sind.

Die Demonstration dieser Fähigkeiten in einem experimentellen Chip ist jedoch erst der Anfang. Die nächste große Herausforderung besteht darin, die Technologie auf größere Systeme mit höherer Rechenleistung zu skalieren und dabei die im Labor demonstrierte Präzision und Zuverlässigkeit zu bewahren.

Chu und ihre Kollegen untersuchen weiterhin, wie ihr Ansatz weiterentwickelt werden kann. Der langfristige Erfolg wird davon abhängen, ob mechanische Quantenspeicher auch dann effektiv bleiben, wenn mehr Komponenten und zunehmend komplexe Berechnungen hinzugefügt werden.

Praktische Quantencomputer, die leistungsstark genug für breit gefächerte wissenschaftliche und industrielle Anwendungen sind, liegen noch in einiger Ferne. Dennoch hat das Team der ETH Zürich durch den Nachweis, dass winzige mechanische Vibrationen als kompakte, leistungsfähige Quantenspeicher dienen können, einen vielversprechenden neuen Weg aufgezeigt, um diese Maschinen Wirklichkeit werden zu lassen.