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.
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.