Quantencomputer versprechen enorme Rechenleistungen, doch ihre Entwicklung stellt Forscher vor Herausforderungen. Ein Team hat nun einen Durchbruch erzielt: Sie konnten Quantenverschr�nkung �ber gro�e Distanzen in einem System mit 54 Quantenbits erzeugen.
Quantensprung: 54 Qubits �ber Distanz verschr�nkt
Anders als klassische Computer, die mit stabilen Elektronen arbeiten, basieren Quantencomputer auf winzigen Quantensystemen, die durch geringste Umwelteinfl�sse wie Temperatur, elektromagnetische Strahlung oder mechanische Vibrationen gest�rt werden k�nnen. Jede St�rung kann die fragilen Quantenzust�nde zerst�ren und Berechnungen unm�glich machen. Deshalb m�ssen Wissenschaftler Wege finden, diese empfindlichen Systeme zu stabilisieren und ihre Informationsverarbeitung zu sch�tzen.
Quantenverschr�nkung ist ein Ph�nomen, bei dem zwei oder mehr Quantenteilchen so miteinander verbunden sind, dass der Zustand des einen Teilchens nicht unabh�ngig vom anderen beschrieben werden kann. Dies ist grundlegend f�r Quantencomputer. Das Forscherteam von IBM Quantum, der Universit�t K�ln und der Harvard University nutzte den IBM-Quantencomputer “ibm_sherbrooke” mit 127 Quantenbits (Qubits). Qubits sind die Grundbausteine der Quanteninformation und k�nnen, anders als klassische Bits, mehrere Zust�nde gleichzeitig annehmen.
Die Wissenschaftler verwendeten ein innovatives Protokoll mit wenigen Quantengattern. Quantengatter sind Operationen, die den Zustand von Qubits ver�ndern, �hnlich wie logische Gatter in klassischen Computern. Das Protokoll erzeugt eine minimale Verschr�nkung zwischen zwei Qubit-Gruppen und misst dann eine Gruppe. Diese Messung beeinflusst die andere Gruppe aufgrund der Quantenverschr�nkung, was als Messr�ckkopplung bezeichnet wird.
Die wichtigsten Durchbr�che der Forscher:
- Erzeugung von Langstrecken-Quantenverschr�nkung in einem 54-Qubit-System
- Beobachtung des seltenen Nishimori-�bergangs ohne Feinabstimmung
- Stabilisierung der Quantenordnung trotz Systemfehlern
- Entwicklung eines effizienten Protokolls mit wenigen Quantengattern
- Erfolgreiche Anwendung klassischer Decodierung zur Extraktion der Quantenordnung
- Demonstration der praktischen Anwendbarkeit der Born’schen Regel in gro�en Quantensystemen
- Validierung theoretischer Vorhersagen zur Quantenverschr�nkung in der Praxis
Ein H�hepunkt des Experiments war die Beobachtung eines Nishimori-�bergangs. In der Physik beschreibt ein Phasen�bergang eine pl�tzliche �nderung der Systemeigenschaften, wie etwa beim Schmelzen von Eis zu Wasser. Der Nishimori-�bergang ist ein spezieller Phasen�bergang, der im Quantensystem spontan auftrat. Dies basiert auf der Born’schen Regel, einem Grundprinzip der Quantenmechanik, das die Wahrscheinlichkeit von Messergebnissen in Quantensystemen beschreibt.
N�chste Schritte geplant
Die in Nature Physics ver�ffentlichte Studie zeigt, wie die Forscher klassisches Dekodieren nutzten, um die Quantenordnung im System trotz St�rungen (Rauschen) zu erhalten. Klassisches Dekodieren bedeutet hier, dass die Ergebnisse der Quantenmessungen mit herk�mmlichen Computermethoden verarbeitet wurden.
Diese Erkenntnisse k�nnten die Entwicklung gr��erer und stabilerer Quantenprozessoren f�rdern. IBM Quantum arbeitet bereits an der Weiterentwicklung dieser Technologie und strebt bis 2029 ein Quantensystem an, das Fehler selbstst�ndig korrigieren kann – ein entscheidender Schritt f�r praktisch nutzbare Quantencomputer.
Was ist ein Quantencomputer?
Ein Quantencomputer ist ein neuartiger Computertyp, der die Gesetze der Quantenmechanik nutzt, um bestimmte Berechnungen deutlich schneller durchzuf�hren als klassische Computer. Anders als herk�mmliche Computer arbeitet er nicht mit Bits (0 oder 1), sondern mit Qubits.
Diese Qubits k�nnen dank Quantenverschr�nkung und Superposition mehrere Zust�nde gleichzeitig annehmen. Dadurch k�nnen Quantencomputer bestimmte komplexe Probleme um ein Vielfaches schneller l�sen als klassische Rechner.
Wozu braucht man Quantencomputer?
Quantencomputer sind besonders n�tzlich f�r komplexe Optimierungsprobleme, wie sie in der Logistik, Materialforschung oder Finanzwirtschaft vorkommen. Sie k�nnen chemische Reaktionen simulieren und damit die Entwicklung neuer Medikamente beschleunigen.
Ein weiteres wichtiges Einsatzgebiet ist die Kryptografie. Quantencomputer k�nnten bestehende Verschl�sselungsmethoden knacken, aber auch neue, abh�rsichere Kommunikationswege erm�glichen.
Wie funktioniert ein Qubit?
Ein Qubit basiert auf quantenmechanischen Systemen wie Elektronen oder Photonen. Anders als klassische Bits k�nnen Qubits dank der Quantensuperposition gleichzeitig den Wert 0 und 1 annehmen.
Durch Quantenverschr�nkung k�nnen mehrere Qubits miteinander verbunden werden, wodurch die Rechenleistung exponentiell steigt. Allerdings sind Qubits sehr empfindlich gegen�ber St�rungen und m�ssen auf fast den absoluten Nullpunkt gek�hlt werden.
Ersetzt der Quantencomputer den PC?
Nein, Quantencomputer werden klassische Computer nicht ersetzen. Sie sind Spezialrechner f�r bestimmte komplexe Probleme, w�hrend klassische Computer f�r allt�gliche Aufgaben weiterhin besser geeignet sind.
Wahrscheinlich werden Quantencomputer zuk�nftig als Co-Prozessoren oder Cloud-Services genutzt, auf die klassische Computer bei Bedarf zugreifen k�nnen.
Wie teuer ist ein Quantencomputer?
Die aktuellen Kosten f�r einen Quantencomputer liegen im Bereich von mehreren Millionen Euro. Der Gro�teil der Kosten entsteht durch die notwendige K�hltechnik und die hochpr�zise Steuerungselektronik.
Zus�tzlich fallen hohe Betriebskosten an, da die Systeme permanent auf unter -270 �C gek�hlt werden m�ssen. Experten erwarten, dass die Kosten in den n�chsten Jahren deutlich sinken werden.
Sind Quantencomputer gef�hrlich?
Quantencomputer selbst sind nicht gef�hrlich, aber sie k�nnten bestehende Verschl�sselungsmethoden knacken. Dies k�nnte sensitive Daten wie Bankverbindungen oder verschl�sselte Kommunikation gef�hrden.
Deshalb wird bereits an quantensicheren Verschl�sselungsmethoden gearbeitet. Diese sollen auch gegen Angriffe durch Quantencomputer sicher sein und rechtzeitig implementiert werden.
Wer entwickelt Quantencomputer?
Die Entwicklung wird von gro�en Tech-Unternehmen wie IBM, Google und Intel vorangetrieben. Auch Startups wie IonQ und Rigetti arbeiten an der Technologie.
Daneben forschen zahlreiche wissenschaftliche Institute und Universit�ten weltweit an Quantencomputern. Deutschland ist durch Forschungseinrichtungen wie das Forschungszentrum J�lich ebenfalls stark vertreten.
Zusammenfassung
- Forscherteam erzielt Durchbruch bei Quantenverschr�nkung �ber Distanz
- IBM-Quantencomputer mit 127 Qubits f�r das Experiment genutzt
- Innovatives Protokoll mit wenigen Quantengattern angewendet
- Nishimori-�bergang als besonderer Phasen�bergang beobachtet
- Klassisches Dekodieren zur Erhaltung der Quantenordnung eingesetzt
- Ergebnisse k�nnten Entwicklung stabilerer Quantenprozessoren f�rdern
- IBM strebt bis 2029 selbstkorrigierendes Quantensystem an
Siehe auch:
