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Fortschritt beim Quantencomputer: Rechnen mit Licht und Molekülen

13.04.2021 | 14:10 Uhr | Peter Müller

Bis Quantencomputer ihre Überlegenheit ausspielen können, wird noch viel Zeit vergehen. Schritt für Schritt geht die Forschung voran.

Die Forschung am Quantencomputer tritt in eine neue Phase ein, die Quantenüberlegenheit ist in zahlreichen Experimenten bewiesen. Das Ziel einer skalierbaren Plattform für Quantencomputer, mit fehlerkorrigierten Qubits hoher Zahl und einem entsprechenden Quantenvolumen ist aber noch um die zwanzig Jahre entfernt. Dabei verfolgt die Forschung unterschiedliche Ansätze, etwa supraleitende Systeme mit Josephson-Kontakten als Äquivalent zu Transistoren, atomare Systeme oder molekulare – und photonische Plattformen für die Quantenkommunikation. Immerhin sei nun das Zeitalter der "Noisy Intermediate Scale Quantum Devices" angebrochen, wie Professor Peter Zoller von der Universität Innsbruck in einem vom Science Media Center veranstalteten Seminar erklärt . Hierbei handelt es sich um Maschinen, die mit nicht fehlerkorrigierten Qubits in einer Größenordnung von 50 bis 100 erste Quantenrechnungen anstellen können.

Längere Kohärenz mit Kernspin-Zuständen

Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und an der Chimie ParisTech – CNRS berichten in der Fachpublikation Nature  Communications nun von einem wesentlichen Fortschritt bei lichtadressierbaren Quanteneinheiten, die zu einer längeren Kohärenz der überlagerten Quantenzustände führt.

Auf Basis des Europium(III)-Moleküls wollen Forschende die Entwicklung von Quantencomputern voranbringen.
Vergrößern Auf Basis des Europium(III)-Moleküls wollen Forschende die Entwicklung von Quantencomputern voranbringen.
© S Kuppusamy, KIT

Dabei verwendet das Experiment Europium(III)-Moleküle, dessen Quantenzustände an der Licht-Kernspin-Grenzfläche detektiert werden: Angeregte Zustände von Liganden (koordinativ gebundene Moleküle) auf den Kernspin der seltenen Erde Europium überträgt – und unter Lichtemission in den Grundzustand zurückfällt. Das Experiment beweise die Möglichkeit eines Ionen von seltenen Erden enthaltenden Qubit-Komplexes, der sich mit Licht adressieren lässt, um mit Quanten zu operieren.  „Indem wir erstmals die Polarisierung an einer Licht-Kernspin-Grenzfläche, die mit dem Kernspins des Europium(III)-Ions assoziiert ist, in einem Molekül demonstriert haben, ist uns ein vielversprechender Schritt hin zur Entwicklung von Quantencomputer-Architekturen auf der Basis von Seltene-Erden-Ionen-haltigen Komplexen gelungen“, erklärt Dr. Philippe Goldner von der CNRS.

Quantencomputer: Stand der Dinge

Der Quantencomputer ist in der Theorie dem klassischen überlegen, da seine Quantenbits (Qubits) nicht nur Zustände wie 0 und 1 annehmen können, sondern dank Quantensuperposition in vielen Zwischenzuständen gleichzeitig. Das macht paralleles Rechnen mit exponentiell steigender Rechenleistung möglich, vor allem in der Materialforschung, der Quantenchemie und bei Optimierungsproblemen können Quantenalgorithmen in endlicher Zeit zu Lösungen gelangen. Bisher hat aber noch kein Experiment mit typischerweise 50 bis 100 Qubits Probleme lösen können, die man nicht auch mit einem klassischen Computer hätte berechnen können, erklärt Professor Immanuel Bloch, Direktor und Leiter der Abteilung Quanten-Vielteilchensysteme des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching bei München. Ein logisches Qubit muss von in der Größenordnung 10000 physikalischen Qubits zusammengesetzt sein, damit eine Fehlerkorrektur möglich ist. Eine weitere wichtige Kennzahl des Quantencomputers ist das Quantenvolumen , also ein Maß für die gleichzeitig nutzbaren (logischen) Qubits. Bis zu einem weithin nutzbaren Quantenrechner wird es noch 15 bis 20 Jahre dauern, schätzen die Experten.

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