Diese Möglichkeit, Zustände zu überlagern oder zu verschränken, eröffnen dem Quantenrechnen zusätzliche Wege der Berechnung. Das grosse Versprechen von Quantencomputern ist daher, dass sie dereinst bestimmte besonders komplexe Aufgaben effizienter lösen als klassische Rechner – oder dass sie sogar Aufgaben lösen, an denen klassische Computer scheitern.
Der Vorteil: Mehr Schwingungen – mehr Speicher
Damit Quantencomputer zuverlässig rechnen und speichern können, müssen Forschende diese Zustände gezielt steuern und verändern. Das gelingt, wenn Recheneinheit und Arbeitsspeicher gut miteinander gekoppelt sind.
Bei Chu funktioniert das so: Die Resonatoren bewahren die jeweilige Information in einem bestimmten Schwingungszustand auf. Wenn das Qubit eine Information aus dem Quanten-Arbeitsspeicher abruft, bearbeitet und verändert es diesen Schwingungszustand und speichert ihn danach wieder ab.
Bisher kombinierten viele Quantencomputermodelle elektromagnetische Speicher mit supraleitenden Qubits, da beide – für sich und im Zusammenspiel – gut erforscht sind und sich bewährt haben. Mit elektromagnetischen Speichertechnologien lassen sich Quantenzustände sehr präzise auslesen, verändern und kontrollieren.
Ihr Nachteil: Sie sind vergleichsweise gross und brauchen viel Platz – das dürfte die Weiterentwicklung der experimentellen Laborgeräte zu marktfähigen Quantencomputern für Forschung und Industrie erschweren. Hier setzt Chu an.
Mechanische Resonatoren sind demgegenüber deutlich kleiner und kompakter. Zudem verfügen sie über eine grössere Speicherkapazität, weil sie viele unterschiedliche Schwingungsmodi umfassen und damit mehr Information gleichzeitig speichern können als elektromagnetische Speicher. Zusätzlich halten sie die Quantenzustände länger stabil, ohne dass die Schwingung nachlässt und Information verloren geht. Das verlängert die Speicherzeit.
Neuartige Rechnerarchitektur besteht Stresstest
In «Science» hat Chu nun erstmals experimentell gezeigt, dass sich mechanische Resonatoren gut mit supraleitenden Qubits koppeln und kombinieren lassen, um Berechnungen auszuführen. Dafür liefert sie einen Machbarkeitsnachweis: Schwingende Arbeitsspeicher können eine aussichtsreiche Alternative zu elektromagnetischen Ansätzen sein.
Ob sich ihr Ansatz durchsetzt, hängt nun davon ab, wie gut er sich skalieren lässt. Das heisst: Chus Quantenchip muss auch gut in grösseren Quantencomputing-Systemen mit erweiterten Rechenmöglichkeiten zuverlässig funktionieren.
Daran forscht Chus Team nun weiter. Einen prinzipiellen Nachweis hat das Team bereits in «Science» erbracht: Ihr Ansatz, Qubits und Resonatoren in eine neue Rechnerarchitektur einzubetten, bewältigt nicht nur einfache Rechenaufgaben, sondern auch anspruchsvollere.
Die Forschungsgruppe hat die Rechenfähigkeit ihres Ansatzes unter anderem an zwei Schlüsselproblemen getestet, die zu den wichtigsten Rechenmethoden des Quantenrechnens zählen: der Quanten‑Fourier‑Transformation und dem Finden von Perioden.
«Die Quanten-Fourier-Transformation ist ein grundlegendes Rechenverfahren, das für viele Quantenalgorithmen benötigt wird. Der von uns implementierte Algorithmus zur Periodenbestimmung zeigt, wie sich dieses Verfahren einsetzen lässt», erklärt Igor Kladaric, Doktorand in Chus Team und Mitautor der Publikation.
Beide Methoden erfordern ein Quantenrechnersystem, das viele Quantenzustände gleichzeitig präzise steuern, speichern und zuverlässig miteinander verknüpfen kann. Gelingt das, gilt ein Quantencomputer als grundsätzlich rechenfähig – und genau das schafft Chus Ansatz.
Grundlage für leistungsstarken Quantencomputer
Chus Quantencomputing‑System beherrscht alle grundlegenden Rechenschritte, die es braucht, um prinzipiell jede beliebige Quantenberechnung ausführen zu können.
Damit zeigt das Team, dass sich sein Ansatz grundsätzlich als allgemein einsetzbarer und programmierbarer Quantenrechner eignet.
Noch ist der Weg weit zu einem ausreichend leistungsfähigen und zuverlässigen Quantencomputer, der sich in Forschung und Wirtschaft einsetzen lässt. Doch Chus Ansatz weist in eine vielversprechende Richtung auf diesem Weg.