Die Rechenleistung moderner Quantenmaschinen ist relativ gering und nicht einfach zu steigern. Österreichische Physiker haben eine neue Architektur für einen universellen Quantencomputer vorgestellt, der bestehende Einschränkungen überwindet und die Grundlage einer neuen Generation von Quantencomputern werden kann.
Quantenbits oder Qubits erfüllen zwei Funktionen gleichzeitig – sie fungieren als Recheneinheit und Speicher. Da Quanteninformationen nicht kopiert werden können, können sie auch nicht wie in einem klassischen Computer gespeichert werden. Aufgrund dieser Einschränkung müssen alle Qubits miteinander interagieren können. Diese Anforderung behindert die Entstehung leistungsfähiger Quantenmaschinen.
2015 schlug der theoretische Physiker Wolfgang Lechner gemeinsam mit Philipp Hauke und Peter Zoller eine neue Architektur für Quantencomputer vor, die nach ihnen „LHZ-Architektur“ genannt wurde. Es wurde entwickelt, um diese Rechenmaschinen zu optimieren. Physische Qubits in dieser Architektur stellen keine einzelnen Bits dar, sondern codieren ihre relative Übereinstimmung. Damit müssten nun nicht mehr alle Qubits miteinander interagieren, erklärte Lechner. Zusammen mit seinem Team zeigte er, dass dieses Konzept der Parität auch für den universellen Quantencomputer gilt.
„Bestehende Quantencomputer kommen mit solchen Operationen im kleinen Maßstab bereits sehr gut zurecht“, sagt Michael Felner, einer der Forscher. „Mit zunehmender Zahl der Qubits wird es jedoch immer schwieriger, solche logischen Operationen umzusetzen.“
Österreichische Wissenschaftler haben in zwei Veröffentlichungen gezeigt, dass die neue Architektur beispielsweise erlaubt, Quanten-Fourier-Transformationen – ein grundlegendes Element vieler Quantenalgorithmen – viel schneller durchzuführen. „Durch die hohe Parallelität unserer Architektur lässt sich beispielsweise der bekannte Shor-Algorithmus zur Faktorisierung äußerst effizient ausführen“, sagt Felner.
Die neue Idee ermöglicht auch eine effiziente Fehlerkorrektur. Üblicherweise werden erhebliche Ressourcen bereitgestellt, um Quanteninformationen vor Störungen zu schützen, wodurch die Anforderungen an die Anzahl der Qubits des Gesamtsystems deutlich steigen. Das vorgeschlagene Modell implementiert eine zweistufige Fehlerkorrektur, wobei eine Fehlerart durch Hardware verhindert und die andere durch Softwareverfahren korrigiert wird. Dies wird es in Zukunft ermöglichen, eine neue Generation von universellen Quantencomputern zu schaffen.
Forscher von D-Wave Systems und verschiedenen Forschungszentren in Kanada, den Vereinigten Staaten und Japan simulierten erstmals einen Quantenphasenübergang in einem programmierbaren eindimensionalen Ising-Modell für 2000 Qubits auf einmal. Mit der Durchführung solcher Experimente versuchen Wissenschaftler, die Möglichkeiten dieser Technologie im Kontext der nahen Zukunft realistisch einzuschätzen.
2022-11-01 16:36:42
Autor: Vitalii Babkin