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Eine Konstruktion aus elektrischen Leitern und einem Magneten kann alle Funktionen eines Quantencomputers erfüllen.
Eine Konstruktion aus elektrischen Leitern und einem Magneten kann alle Funktionen eines Quantencomputers erfüllen. (Bild: Nature)

So funktioniert das CNOT-Gatter

Tatsächlich haben die Elektronen diese Qubit-Eigenschaft auch ganz ohne äußeres Magnetfeld. Aber das Feld wird hier benötigt, um die Spinzustände unterscheidbar zu machen und einzeln manipulieren zu können. Um das eigentliche CNOT-Gatter zu benutzen, werden die beiden Qubits zunächst voneinander getrennt in beide Quantenpunkte gebracht. Die beiden Quantenpunkte sind dabei nicht völlig identisch. Durch unterschiedliche Spannungen haben die Elektronen darin unterschiedliche Energieniveaus.

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Das Steuerqubit, nach dessen Zustand sich entscheidet, ob der Zustand des anderen Qubits verändert wird oder nicht, ist im Quantenpunkt mit dem niedrigeren Energieniveau. Es braucht also mehr Energie, um sich aus dem Quantenpunkt zu befreien. Außerdem ist der Magnet über den beiden Quantenpunkten unterschiedlich dick und damit das Magnetfeld unterschiedlich stark. Durch die unterschiedliche Magnetfeldstärke benötigen Elektronen unterschiedlich viel Energie, um sich mit einem bestimmten Spin überhaupt in den Quantenpunkten aufhalten zu können.

Zwischen den Quantenpunkten gibt es je nach angelegter Spannung der mittleren Elektrode eine mehr oder weniger große Barriere. Die Barriere wird erst abgesenkt, wenn beide Qubits bereit sind und das Steuerqubit mit Hilfe von Mikrowellen in den gewünschten Zustand versetzt wurde. Wenn das Steuerqubit anfangs im Zustand 0 ist, haben die Mikrowellen nach dem anschließenden Absenken der Barriere keine Auswirkung auf den Zustand der Qubits. Das ist eine mögliche Funktion des CNOT-Gatters - in dem Fall war die Bedingung zur Durchführung der NOT-Operation nicht erfüllt.

Das CNOT-Gatter braucht gutes Timing

Auch wenn das Steuerqubit im Zustand 1 ist, bleibt sein messbarer Zustand unter Einfluss der Mikrowellen weiterhin gleich. Aber das andere Qubit fängt dann an, mit einer bestimmten Frequenz den Zustand zu wechseln. Im Experiment der Forscher geschah das alle 130 Nanosekunden. Um die Operation des CNOT-Gatters durchzuführen, muss die Barriere also nur für genau 130 Nanosekunden gesenkt werden.

Damit tut das CNOT genau das, was es soll. Nur wenn das Steuerqubit im richtigen Zustand ist, wird der Zustand des anderen Qubits geändert, sonst nicht. Das CNOT ist dabei ein universelles Quantengatter. Durch Verkettung von CNOT-Gatter, gezielte Zustandsänderungen und Auslesen von Qubits lassen sich alle möglichen Qubit-Operationen durchführen, von der Teleportation bis hin zu allen komplexen Algorithmen von Quantencomputern.

Die erste praktische Implementierung dieses CNOT-Gatters in Silizium arbeitet nur mit einer Genauigkeit von 78 Prozent. Die Forscher wollen diesen Wert durch bessere Kalibrierung der Pulsfolgen und mehr Erfahrung im Umgang verbessern. Quantenfehlerkorrektur ist zwar möglich, benötigt aber zumindest Genauigkeiten in der Größenordnung von 99 Prozent, um effektiv zu sein.

 Computerforschung: Quantencomputer aus Silizium werden realistischDie Physik der Quantenpunkte 

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mrgenie 11. Jan 2018

Die Erklaerung ist extrem kompliziert im mathematischen Sinne. Wir hatten das an der Uni...

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honna1612 08. Jan 2018

Sag ich doch. Gibt es noch nicht. Aber bald.

Themenstart

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