Quantencomputer werden wie LEGO gebaut

Quantencomputer können Berechnungen auf Grundlage der Prinzipien der Quantenmechanik durchführen und dürften bei bestimmten Optimierungs- und Verarbeitungsaufgaben klassische Computer übertreffen.

Obwohl Physiker und Ingenieure in den vergangenen Jahrzehnten verschiedene Quantencomputersysteme vorgeführt haben, war es bislang eine Herausforderung, diese Systeme zuverlässig zu skalieren, sodass sie praktische Probleme lösen und gleichzeitig während der Berechnung auftretende Fehler korrigieren können.

Việc liên kết các qubit bên trong máy tính lượng tử vẫn là một vấn đề. — Die Verknüpfung von Qubits in Quantencomputern bleibt ein Problem.

Der Bau eines Quantencomputers als einzelnes, einheitliches Gerät hat sich als äußerst schwierig erwiesen. Diese Maschinen basieren auf der Manipulation von Millionen von Qubits, den Grundeinheiten der Quanteninformation. Doch die Zusammenführung einer so großen Zahl in einem System ist eine enorme Herausforderung.

So wie kleine LEGO-Steine zusammenpassen, um größere, komplexere Konstruktionen zu bilden, können Forscher kleinere, hochwertigere Module bauen und diese dann zu einem vollständigen Quantensystem zusammenfügen.

Forscher der University of Illinois at Urbana-Champaign haben kürzlich eine neue modulare Quantenarchitektur vorgestellt, die eine fehlertolerante, skalierbare und rekonfigurierbare Skalierung supraleitender Quantenprozessoren ermöglicht. Die fehlertolerante Skalierung ist unerlässlich, um Quanteneffekte und die notwendigen Bedingungen für langfristige Quantenberechnungen aufrechtzuerhalten.

Das Verbindungskabelprotokoll verbindet Qubit-Blöcke wie LEGO-Steine miteinander.

Das von ihnen vorgeschlagene System, das in einem in der Zeitschrift Nature Electronics veröffentlichten Artikel vorgestellt wird, besteht aus mehreren Modulen (d. h. supraleitenden Qubit-Geräten), die unabhängig voneinander arbeiten können und über Verbindungsleitungen mit anderen Modulen verbunden sind und ein größeres Quantennetzwerk bilden.

Vereinfacht ausgedrückt: Mit diesen Verbindungen muss jedes Qubit im System nur noch „Plug and Play“ sein, so wie wir Peripheriegeräte an einen normalen Computer anschließen. Diese Art von Verbindungskabel reduziert außerdem den Berechnungsfehler des Systems auf weniger als 1 %.

„Ausgangspunkt dieser Forschung war das aktuelle Verständnis im Bereich des supraleitenden Quantencomputings, dass wir den Prozessor in mehrere unabhängige Geräte aufteilen müssten – ein Ansatz, den wir ‚modulares Quantencomputing‘ nennen“, beschreibt Wolfgang Pfaff, Co-Autor der Studie.

In den letzten Jahren hat sich diese Überzeugung durchgesetzt und sogar Unternehmen wie IBM verfolgen diese Idee. Diese Forschung könnte eine ingenieurfreundliche Verbindung zum modularen Ansatz herstellen.

Im Wesentlichen entwickeln Pfaff und seine Kollegen eine Strategie zur Verbindung von Quantengeräten, die gleichzeitig Signalverschlechterung und Leistungsverlust bei der Übertragung von Quanteninformationen zwischen ihnen minimiert. Darüber hinaus wollen sie die Geräte einfach verbinden, trennen und neu konfigurieren können.

„Vereinfacht ausgedrückt besteht unsere Methode darin, ein hochwertiges supraleitendes Koaxialkabel, einen sogenannten Busresonator, zu verwenden“, erklärt Pfaff.

Sie verbinden ein kapazitives Qubit über einen speziellen Stecker mit einem Kabel und platzieren das Kabel sehr nahe (mit einer Präzision im Submillimeterbereich) am Qubit und dann an mehreren Qubits, wenn sie mit demselben Kabel verbunden sind.

Der neue Ansatz der Forscher zur Schaffung modularer Quantennetzwerke hat erhebliche Vorteile gegenüber früheren Ansätzen zur Skalierung von Quantensystemen.

In ersten Tests stellten sie fest, dass sie mit dieser Methode Quantengeräte auf Supraleiterbasis sicher verbinden und später wieder trennen konnten, ohne sie zu beschädigen, ohne dass es zu nennenswerten Signalverlusten in den Quantengattern kam.

„Ich denke, mit unserem Ansatz haben wir die Möglichkeit, rekonfigurierbare Quantensysteme von Grund auf neu zu bauen, mit der Option, beispielsweise im Laufe der Zeit weitere Prozessormodule in das Netzwerk der Quantengeräte einzubinden“, fügte Pfaff hinzu.

„Wir arbeiten derzeit an einem Design, um zu sehen, ob wir die Anzahl der verbundenen Elemente erhöhen und so unser Netzwerk vergrößern können. Wir untersuchen auch, wie wir Verluste im System besser kompensieren und die Architektur mit der Quantenfehlerkorrektur kompatibel machen können.“