Rechentechnik: Ein Bauplan für einen Quantencomputer
Bisher waren Quantencomputer kaum mehr als Tüfteleien im Labor, äußerst interessante Spielzeuge, aber noch ohne praktischen Nutzen. Ein internationales Team von Forschern hat nun im Journal Science Advances(öffnet im neuen Fenster) eine Reihe von aktuellen Techniken zu einer Architektur kombiniert, die den Bau beliebig großer Quantencomputer möglich machen soll. Dabei kommen sie vor allem ohne die große Zahl präsize kalibrierter Laserstrahlen aus, die bisher für solche Anlagen benötigt wurden.
Anders als digitale Computer nutzen Quantencomputer keine Bits mit einfachen Ein-oder-Aus-Zuständen. Es gibt viele Möglichkeiten, ein einfaches Bit zu konstruieren. Bits wurden schon mit Lochstreifen, Schallwellen, Relais, Magnetkernen, Lichtsignalen, Elektronenröhren und vielen anderen Dingen gebaut. Alle Konstruktionsweisen hatten ihre Berechtigung und verschiedene Vor- und Nachteile.
Qubits können mehr als Ein und Aus
Mit Quantencomputern ist es nicht anders. Sie benutzen Qubits, also Quantenbits, die physikalische Systeme sind, die bei Messungen immer nur in einem von zwei Zuständen angetroffen werden können. Es hängt aber vom tatsächlichen physikalischen Zustand des Qubits ab, wie hoch die Wahrscheinlichkeit ist, es bei der Messung in dem einen oder in dem anderen Zustand anzutreffen.
Die Messung ist dabei vergleichbar mit einer Befragung, bei der eine Zeichnung von einem Tier gezeigt wird und die Befragten nur mit Fisch oder Säugetier antworten dürfen. Zeigt sie eine Forelle, werden alle Antworten Fisch lauten, bei einem Hund immer Säugetier. Bei einem Wal oder einem Walhai werden die Antworten schon weniger eindeutig sein. Einige der Befragten würden den Wal zu den Fischen und den Walhai zu den Säugetieren rechnen. Der Grund dafür ist, dass die Zeichnung Merkmale von beiden möglichen Antworten aufweist, aber nur eine gegeben werden darf. Gleichzeitig kann im vorhinein niemand erahnen, welche Antwort ein Befragter geben wird, wenn ihm zum Beispiel ein Bild von einem Walhai gezeigt wird. Bei einem Qubit ist es ganz ähnlich.
Qubits aus Licht
Anders als bei Bildern lässt sich diese Eigenschaft von Qubits aber mathematisch präzise beschreiben und die genaue Wahrscheinlichkeit ausrechnen, mit der ein bestimmter physikalischer Zustand bei der Messung das eine oder das andere Resultat erzeugt. In der Quantenphysik gibt es viele Phänomene, die sich prinzipiell für den Bau eines Qubits eignen würden. Photonen, also einzelne Lichtteilchen, wären zum Beispiel als Qubits geeignet.
Photonen haben immer eine ausgezeichnete Schwingungsrichtung quer zu ihrer Flugbahn, die Polarisation. Die Polarisation kann senkrecht oder waagerecht sein oder einen Winkel dazwischen einnehmen. Nur in den Zwischenzuständen ist das Ergebnis der Messung ungewiss. Tatsächlich ist es noch komplizierter, denn es gibt auch zirkulär und elliptisch polarisiertes Licht. Dort verändert sich der Winkel der Polarisation ständig mit der Zeit und damit auch die Wahrscheinlichkeit, ein bestimmtes Messergebnis zu bekommen.
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.(öffnet im neuen Fenster) 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(öffnet im neuen Fenster) , in dem sie weniger empfindlich auf Störungen reagieren.
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.(öffnet im neuen Fenster) 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.
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