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Schematische Darstellung eines Gates des Quantencomputers
Schematische Darstellung eines Gates des Quantencomputers (Bild: Screenshot (Lekitsch et al))

Ionen in der Falle sind stabile Qubits

Auch aus Supraleitern aufgebaute Schwingkreise wurden schon als Qubits benutzt und haben ganz ähnliche Eigenschaften. Für die Rechnerarchitektur sollen aber einzelne Atome in Ionenfallen als Qubits dienen. In allen Fällen reagieren die Qubits sehr empfindlich auf Störungen aus der Umwelt. Um mit solchen Qubits Berechnungen durchführen zu können, sollten sie möglichst stabil bleiben. Mit einigen Tricks ist es den Forschern aber gelungen, die Qubits zeitweise in einen Zustand zu versetzen, sogenannte Dressed States, in dem sie weniger empfindlich auf Störungen reagieren.

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Auf diese Weise konnten Qubits schon für fast zwei Sekunden stabil gehalten werden. Bis dahin galten schon wenige Millisekunden als ein guter Wert. Dazu kommt, dass die notwendige Technik, um die Ionenfallen zu bauen und anzusteuern, auf Halbleitertechnik mit 6-Zoll-Wafern basiert. Der damit verbundene Aufwand ist zwar auch nicht klein, aber die Technik ist gut beherrschbar. Hinzu kommen noch Mikrowellensender und Laser, die nötig sind, um die Ionen soweit abzukühlen, dass sie als Qubit nutzbar werden.

Der Wafer wird dazu mit flüssigem Stickstoff abgekühlt. Die knapp darüber schwebenden Ionen werden durch Laserkühlung noch weiter abgekühlt, bis sie nur noch die beiden relevanten Zustände annehmen können. Dazu wird kein besonders intensiver Laser benötigt und auch keine besondere Präzision, einer der großen Vorteile der Konstruktion. Damit die Ionen, die in der Ionenfalle über dem Wafer schweben, nicht mit Gasmolekülen kollidieren und für die Berechnung unbrauchbar werden, soll die gesamte Anlage in Kammern unter Hochvakuum aufgebaut werden. Die achteckigen Vakuumkammern sind jeweils eigenständige Computermodule mit 4,5 x 4,5 Metern Größe.

Ionen werden in Computermodule verschoben

Aber auch so können die empfindlichen Qubits noch während der Rechnung gestört werden. Dazu müssen aufwendige Korrekturalgorithmen implementiert werden, bei denen jedes Qubit von vier weiteren Qubits überwacht wird. An diesem Punkt fehlt dem Computer aber immer noch das, was ihn zum Computer macht. Es reicht nicht, Qubits zu erstellen und in einem brauchbaren Zustand zu halten, sie müssen auch mit anderen Qubits interagieren, in sogenannten Gates.

Dazu werden die Ionen physisch in unmittelbare Nachbarschaft gebracht und durch kontrollierte Mikrowellenemission und Magnetfelder so manipuliert, dass sie die gewünschte Interaktion durchführen. Mit Hilfe der Mikrowellen kann der physikalische Zustand der Qubits kontrolliert verändert werden, auch wenn der eigentliche Zustand nicht bekannt ist. Laserstrahlen kommen erst wieder beim Auslesen des endgültigen Zustands des Qubits zum Einsatz, nicht für den eigentlichen Rechenvorgang, was den Aufbau stark vereinfacht.

Der Transport der Ionen soll dabei nicht nur auf dem Wafer oder innerhalb der Vakuumkammer eines Rechenmoduls geschehen, sondern auch zwischen den Rechenmodulen. Um die Module auf 10 Mikrometer genau justieren zu können, kommen Piezoelemente zum Einsatz, die ihre Länge je nach angelegter Spannung verändern. Dadurch wird das System erweiterbar und es können viele Module zusammenarbeiten.

Der Quantencomputer soll Verschlüsselungen knacken

Eine Möglichkeit, die das Paper der Forschergruppe explizit erwähnt, ist das Knacken von bisher unknackbaren Verschlüsselungen. Ein Computer aus 23 mal 23 Modulen könnte demnach eine 1.024-Bit-Verschlüsselung innerhalb von zwei Wochen und eine 2048-Bit-Verschlüsselung in unter 4 Monaten knacken. Auf andere Anwendungen gehen die Autoren nicht ein. Die Rechenanlage hätte insgesamt etwa zwei Milliarden Ionen in verschiedenen Rollen zur Verfügung stehen.

Den Stromverbrauch schätzen die Forscher auf etwa 1.000 Watt pro Modul, also rund fünf Megawatt für die gesamte Anlage. Er kommt hauptsächlich durch die klassische Steuer- und Ausleseelektronik auf den Wafern zustande. Der Großrechner hätte eine quadratische Fläche mit einer Kantenlänge von knapp über 100 Metern. Die Forscher hoffen, dass durch weitere Verbesserungen in der Genauigkeit der Technik und einer verbesserten Fehlerkorrektur die Zahl der nötigen Ionen im System um ein bis zwei Größenordnungen verringert werden kann. Dann würden weniger als 100 Millionen Ionen für die gleichen Berechnungen ausreichen.

Ein konkreter Plan für den Bau der Anlage besteht noch nicht. In Anbetracht der Möglichkeit, damit bisher als sicher geltende Verschlüsselungen zu knacken, dürfte die Finanzierung aber kaum infrage stehen.

 Rechentechnik: Ein Bauplan für einen Quantencomputer

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R.Gruf 21. Feb 2017

Die Zeit für die Entschlüsselung einer 1024 bit Verschlüsselung würde mit einem...

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X Y 21. Feb 2017

Wenn die anderen Angaben im Artikel stimmen, ist die Rechnung 23 x 23 x 1.000 Watt = 529...

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Johannes Kurz 21. Feb 2017

Danke, hab ich beim lesen übersehen und danach am Ende des Textes gesucht :D Ahh ok es...

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Wallbreaker 20. Feb 2017

Besser informiert eher nicht, aber äußerst vorsichtig mit Sicherheit. Denn die...

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Wallbreaker 20. Feb 2017

Das ist nicht ganz korrekt. Zum einen sollte man ältere Verschlüsselungsverfahren wie...

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