Universell programmierbarer Quantenprozessor

System kann unterschiedliche Programme mit zwei Qubits verarbeiten

Physiker am National Institute of Standards and Technology (NIST) haben einen ersten universell programmierbaren Quantenprozessor demonstriert. Dieser soll in der Lage sein, jedes Programm auszuführen, das die Regeln der Quantenmechanik mit zwei Qubits zulassen.

Gelang es anderen Forschern bislang nur, Quantenprozessoren für bestimmte Aufgaben zu entwickeln, wollen die NIST-Forscher erstmals einen Prozessor entwickelt haben, der jedes mit zwei Qubits realisierbare Programm ausführen kann. Ihre Forschungsergebnisse beschreiben sie in der aktuellen Ausgabe von Nature Physics.

"Erstmals hat jemand einen programmierbaren Quantenprozessor mit mehr als einem Qubit gezeigt", kommentiert der an dem Projekt beteiligte David Hanneke. Es sei ein Schritt hin zum großen Ziel, Berechnungen mit sehr vielen Qubits durchführen zu können: "Die Idee besteht darin, viele dieser Prozessoren zusammenzuschalten", so Hanneke.

Der NIST-Prozessor speichert binäre Informationen in zwei Beryllium-Ionen, die in einer elektromagnetischen Falle gehalten und mit zwei ultravioletten Lasern manipuliert werden. Zwei Magnesium-Ionen helfen bei der Kühlung von Beryllium-Ionen.

David Hanneke am Lasertisch, auf dem der universelle Quantenprozessor demonstriert wurde.

Dabei können die Forscher den Zustand jedes einzelnen Beryllium-Qubits verändern und die Ionen auch in eine Superposition bringen, die den Werten 1 und 0 zugleich entspricht und den großen Vorteil eines Quantencomputers ausmacht. Zudem können die Forscher zwei Qubits miteinander verschränken, also dafür sorgen, dass die Eigenschaften der Qubits aneinandergekettet sind, auch wenn sie physisch getrennt sind.

So kann das NIST-Team 160 unterschiedliche Rechenroutinen mit den beiden Qubits durchführen. Auch wenn es eine unendliche Zahl möglicher Zwei-Qubit-Programme gebe, sei diese Auswahl von 160 Routinen groß und unterschiedlich genug, um von einem universellen Prozessor zu sprechen, meint Hanneke. Ausgewählt wurden die Routinen mit einem Zufallsgenerator.

Die im Rahmen der Experimente ausgeführten Programme bestanden aus 31 logischen Operationen, von denen 15 im Programmierprozess variiert wurden.