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«IBM und Google verfügen derzeit über die leistungsstärksten Quantencomputer der Welt», sagt Prof. Edoardo Charbon, Leiter des Advanced Quantum Architecture Laboratory (AQUA Lab) an der EPFL-Fakultät für Ingenieurwissenschaft und Technologie, «IBM hat gerade eine Maschine mit 127 Qubits vorgestellt, Google hat 53 Qubits.» Die Möglichkeiten, Quantencomputer noch schneller zu machen, sind aufgrund einer Obergrenze für die Anzahl Qubits begrenzt. Ein Team von Ingenieurfachleuten unter der Leitung von Charbon hat jedoch in Zusammenarbeit mit Forschenden in Grossbritannien eine vielversprechende Methode entwickelt, um diese technologische Barriere zu durchbrechen. Ihr Ansatz kann Qubits effizienter lesen, was bedeutet, dass mehr Qubits in Quantenprozessoren untergebracht werden können. Die Ergebnisse wurden in Nature Electronics veröffentlicht.
Biochemie und Kryptographie
Quantencomputer funktionieren nicht wie die Computer, die wir gewohnt sind. Anstelle eines separaten Prozessors und eines Speicherchips sind beide in einer einzigen Einheit, einem so genannten Qubit, vereint. Diese Computer nutzen Quanteneigenschaften wie Überlagerung und Verschränkung, um komplizierte Berechnungen durchzuführen, die normale Computer niemals in einem vernünftigen Zeitrahmen bewältigen könnten. Mögliche Anwendungen für Quantencomputer sind unter anderem Biochemie und Kryptographie. Die heute von Forschungsgruppen verwendeten Maschinen haben etwa ein Dutzend Qubits: «Unsere Herausforderung besteht nun darin, mehr Qubits zu Quantenprozessoren zusammenzuschalten – wir sprechen von Hunderten oder sogar Tausenden –, um die Rechenleistung der Computer zu erhöhen», sagt Charbon. Die Anzahl der Qubits ist derzeit dadurch begrenzt, dass es noch keine Technologie gibt, die alle Qubits schnell auslesen kann: «Erschwerend kommt hinzu, dass Qubits bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt oder -273,15 °C arbeiten», sagt Charbon, «das macht das Auslesen und Steuern noch schwieriger. Normalerweise verwenden Ingenieurinnen und Ingenieure Maschinen bei Raumtemperatur und kontrollieren jedes Qubit einzeln.»
«Das ist ein echter Durchbruch»
Andrea Ruffino, Doktorand in Charbons Labor, hat eine Methode entwickelt, mit der neun Qubits gleichzeitig und effektiv gelesen werden können. «Meine Methode basiert auf der Verwendung von Zeit- und Frequenzbereichen», erklärt er, «die Grundidee ist, die Anzahl der Verbindungen zu reduzieren, indem man drei Qubits mit einer einzigen Verbindung arbeiten lässt.» Die EPFL hat keinen Quantencomputer, aber das hat Ruffino nicht aufgehalten. Er fand einen Weg, um Qubits zu emulieren und Experimente unter fast den gleichen Bedingungen wie in einem Quantencomputer durchzuführen: «Ich habe Quantenpunkte, das sind nanometergrosse Halbleiterpartikel, in einen Transistor eingebaut. Damit habe ich etwas erhalten, das genauso funktioniert wie Qubits», sagt Ruffino. Er ist der erste Doktorand im AQUA-Labor, der sich im Rahmen seiner Dissertation mit diesem Thema befasst. «Andrea hat gezeigt, dass seine Methode mit integrierten Schaltkreisen auf normalen Computerchips funktioniert, und zwar bei Temperaturen, die denen von Qubits nahe kommen», sagt Charbon, «das ist ein echter Durchbruch, der zu Systemen mit grossen Qubit-Matrizen führen könnte, die mit der notwendigen Elektronik integriert sind. Die beiden Technologien könnten einfach, effektiv und reproduzierbar zusammenarbeiten.»