Mission Magic

Unser Weg zum Quantencomputer

Unser Ziel ist ein frei pro­gram­mier­bar­er, beliebig skalier­bar­er Quan­ten­com­put­er. Bis dahin gibt es aber noch einige Schwierigkeit­en zu über­winden. Das gehen wir an!
In den näch­sten Jahren muss ins­beson­dere die Entwick­lung der Grund­bausteine des Quan­ten­com­put­ers vor­angetrieben wer­den, wie z.B. Ionen­fal­l­enchips, Hochfre­quen­ztech­nolo­gie und Algo­rith­men. Außer­dem muss der Prozess der Verknüp­fung mehrer Chips – Vorbe­din­gung für erfol­gre­ich­es Skalieren – per­fek­tion­iert werden.

Wir glauben aber, dass auch unab­hängig davon die Tech­nik reif ist, um par­al­lel dazu schon früher mit Quan­ten­com­put­ing wis­senschaftlich und kom­merziell rel­e­vante Prob­leme anzuge­hen. Darum arbeit­en wir daran, ein­fache, spezial­isierte Quan­ten­com­put­er zu bauen, die auf die Lösung erster kom­merziell inter­es­san­ter Prob­leme zugeschnit­ten sind.

Der Weg aller
Quantencomputer -
mit ele­Qtron im Finale

Quantisierte Schaltkreise

Das Moore’sche Gesetz prog­nos­tiziert die Ver­dopplung der durch­schnit­tlichen Rechen­leis­tung von Chips alle zwei Jahre. Dieses Wach­s­tum wird in abse­hbar­er Zeit enden, wenn die hier­für notwendi­ge Verkleinerung der Struk­turen zu Quan­ten­ef­fek­ten führt. Liegt es da nicht nahe, sich diese Quan­ten­ef­fek­te zu Nutze zu machen und den Quan­ten­com­put­er darauf basierend aufzubauen?

Solche Quan­ten­schaltkreise kon­nten bere­its gebaut wer­den, wie etwa supralei­t­ende Schaltkreise mit Joseph­son-Kon­takt-Qubits, oder Gal­li­um-Arsenid-Quan­ten­punk­ten. Auf einem solchen Chip wurde die Quan­tenüber­legen­heit demon­stri­ert, also die Lösung eines Prob­lems, welche auf klas­sis­chen Com­put­ern unprak­tik­a­bel lange dauert. Die Anforderun­gen dieser Chips an die Fer­ti­gung­sprozesse sind jedoch noch eine Her­aus­forderung und die einzel­nen Qubits und deren Wech­sel­wirkung untere­inan­der sind nicht voll­ständig repro­duzier­bar, was die Skalier­barkeit zu vie­len Qubits erschw­ert. Der Betrieb solch­er Quan­ten­rech­n­er ist sehr viel aufwändi­ger ver­glichen mit herkömm­lichen Com­put­er­chips und bein­hal­tet eine Vielzahl tech­nis­ch­er Her­aus­forderun­gen: die Chips müssen mit großem Aufwand bis nahe an den absoluten Nullpunkt der Tem­per­atur her­an gekühlt wer­den, auf etwa ‑273,15 °C. Ein weit­eres beträchtlich­es Prob­lem: Die Bee­in­flus­sung und der Drift der Qubits auf­grund der Umge­bung ist nicht aus­re­ichend kon­trol­lier­bar und bish­er nur in Teilen verstanden. 

Atomare Quantenbits

Warum benutzt man nicht Atome für den Auf­bau von Quan­ten­com­put­ern? Atome der­sel­ben Art haben iden­tis­che Eigen­schaften. Man kann Sie her­vor­ra­gend von den Ein­flüssen der Umge­bung isolieren und mit Hil­fe der Laserküh­lung ein­fach und schnell auf min­i­male Tem­per­a­turen brin­gen. Laser kön­nen auch die Zustände von Atom­en ändern, und so atom­are Qubits kontrollieren.

Die auf neu­trale Atome wirk­enden Kräfte sind rel­a­tiv schwach. Dies macht die Langzeit-Spe­icherung von neu­tralen Atom­en schwierig. Man braucht Laser­licht sowohl für die Kon­trolle der Qubit-Übergänge, als auch für das Ein­fan­gen der Atome. Es gibt span­nende Ansätze,
Quan­ten­com­put­er mit neu­tralen Atom­en zu entwick­eln, die indi­vidu­elle Kon­trolle der Qubits und die Erzeu­gung lan­glebiger Quan­ten­spe­ich­er steck­en jedoch noch in den Kinderschuhen.

Ein Ionenbasierter Quantencomputer

Kann man die atom­aren Qubits durch Ionen, also geladene Atome erset­zen? Auch Ionen haben schließlich Res­o­nanzen, welche mit Laser­licht anges­teuert wer­den kön­nen. Ionen kön­nen tat­säch­lich in Paul-Fall­en über Monate gespe­ichert wer­den und mit Laser­licht auf extrem geringe Tem­per­a­turen gekühlt wer­den. Die Inte­gra­tion von Ionen­fall­en in minia­tur­isier­bare Chip­struk­turen wurde in den let­zten Jahren vielfach, auch durch uns, demonstriert. 

Die laser­basierte präzise Steuerung der Qubits – im Gegen­satz zur ver­gle­ich­sweise ein­fachen Küh­lung – stellt enorme Anforderun­gen an die Qual­ität der Laser. Auch die Inte­gra­tion ein­er Vielzahl von Laserquellen auf Chipebene bleibt eine tech­nis­che Herausforderung.

Ein ionenbasierter Quantencomputer mit MAGIC

Statt mit Lasern wer­den die Ionen-Qubits im von uns entwick­el­ten MAG­IC-Konzept mit Hochfre­quen­zwellen kon­trol­liert. Hochfre­quenz-Felder sind in Com­put­ern und Mobil­tele­fo­nen all­ge­gen­wär­tig, minia­tur­isier­bar, per­fekt beherrscht, ver­lässlich und preis­gün­stig. Die indi­vidu­elle Steuerung der Qubits lässt sich in Fal­l­enchips inte­gri­eren und kann mit unver­gle­ich­lich­er Güte erfol­gen. Wir kon­nten zeigen, dass die Qubit-Steuerung keine uner­wün­scht­en Neben­ef­fek­te auf anderen Qubits erzeugt und somit eine wesentliche Fehlerquelle in Quan­ten­rech­nun­gen drastisch reduziert. Die Laserküh­lung und auch das Ausle­sen der Qubits kann mit weit ein­facheren Laser durchge­führt wer­den. Für deren Kon­trolle wird kom­merziell erhältliche, robuste und erprobte Tech­nolo­gie einge­set­zt. Auch die Skalierung zu mehr Ionen wird keine prinzip­iellen Prob­leme bere­it­en: minia­tur­isierte Struk­turen zum Fan­gen von Ionen und Steuern von Qubits lassen sich auf Chips integrieren. 

Anwendungs­möglichkeiten
für Quantencomputer

Opti­mierung
Das Prob­lem der Opti­mierung von Funk­tio­nen beschäftigt Wis­senschaftler seit langem. Häu­fig ähnelt die Suche nach der besten Lösung jedoch eher einem Aus­pro­bieren. Hier erlaubt der Quan­ten­par­al­lelis­mus das gle­ichzeit­ige Testen viel­er Lösun­gen und damit ein ungle­ich schnelleres Auffind­en der besten Lösung. Auch ohne dass die Rech­n­er voll­ständig pro­gram­mier­bar sind, kann man Prob­leme ange­hen, die kon­ven­tionellen Rech­n­ern Schwierigkeit­en bere­it­en, und die zum Beispiel in der Finanz­math­e­matik von Bedeu­tung sind.
Chemie
Die Berech­nung der Eigen­schaften großer Moleküle ist, auf­grund der Vielzahl an wech­sel­wirk­enden Teilchen, ohne Näherun­gen außeror­dentlich schwierig. Die intrin­sis­che Par­al­lelität eines Quan­ten­com­put­ers kön­nte mit dieser Her­aus­forderung fer­tig wer­den. So würde man den ursprünglichen Vorschlag zum Quan­ten­com­put­er von Feyn­man umset­zen: Die Sim­u­la­tion von physikalis­chen Teilchen und deren Wech­sel­wirkung durch die ‚Nach­stel­lung‘ dieses Szenar­ios mit anderen, bess­er kon­trol­lier­baren Teilchen.
Logis­tik
Eines der ältesten und berühmtesten Prob­leme, die man mit Quan­ten­com­put­ern ange­hen kön­nte, ist das soge­nan­nte Hand­lungsreisenden-Prob­lem. Kann ein Vertreter, der eine bes­timmte Anzahl von Städten besuchen muss, math­e­ma­tisch effizient den kürzesten Weg find­en? Bish­er ist das nicht erwiesen. Mit einem Quan­ten­com­put­er sind schnelle Lösun­gen riesiger Prob­lem­sätze möglich – und auch ansatzweise schon vollbracht. 
Suchal­go­rith­men
Quan­ten­suchal­go­rith­men kön­nen große Daten­banken sub­stanziell schneller absuchen als kon­ven­tionelle Com­put­er­al­go­rith­men. Dabei wer­den aus ein­er Vielzahl möglich­er Ein­träge solche her­aus­ge­sucht, die bes­timmte Bedin­gun­gen erfüllen. Man kann sog­ar beweisen, dass Quan­te­nal­go­rith­men prinzip­iell schneller suchen als existierende klas­sis­che Algo­rith­men. Es kann also kein klas­sis­ch­er Algo­rith­mus geschrieben wer­den, der sein Quan­tenäquiv­a­lent schlägt. 
Kryp­togra­phie
Ins­beson­dere die Quan­ten-Fouri­er­trans­for­ma­tion (QFT), eine Quan­tenäquiv­a­lent der kon­ven­tionellen Fouri­er­trans­for­ma­tion, wird für kryp­tographis­che Anwen­dun­gen, also das Dechiffrieren von Codes ver­wen­det. Auch mit unseren Quan­ten­com­put­ern haben wir die QFT bere­its realisiert.
Maschinelles Ler­nen
Das maschinelle Ler­nen hat in den let­zten Jahren enorm an Bedeu­tung gewon­nen und kann beispiel­sweise bei der Mus­ter­erken­nung helfen, mit Anwen­dung in der Forschung, wie auch bei alltäglichen und indus­tri­erel­e­van­ten Fra­gen. Quan­ten­com­put­er kön­nen die Entschei­dung­prozesse beim maschinellen Ler­nen drastisch beschle­u­ni­gen, wozu wir bere­its erste Ergeb­nisse vorgelegt haben.