TU-Forscher konzipieren Quantencomputer mit Diamanten

Zur Realisierung eines Quantencomputers gibt es verschiedene Konzepte. Wiener Forscher haben nun eine neue Architektur vorgeschlagen, bei der ein Quantensystem auf in Diamanten eingeschlossenen Stickstoff-Atomen beruht. Im Fachjournal "Physical Review X" berichten sie, dass für einen stabilen Quantencomputer Milliarden solcher Quantensysteme notwendig wären. Unmöglich ist das aber nicht.

Überlagerungszustände

Im Gegensatz zum Bit, der kleinsten Informationseinheit in der klassischen Informationstechnologie, die zwei Zustände (Ja/Nein oder 0/1) einnehmen kann, dienen beim Quantencomputer Quantenzustände als kleinste Einheit - genannt Quantenbit (Qubit). Weil dabei die Gesetze der Quantenwelt gelten, kann ein solcher Quantenzustand verschiedene Schwebezustände - die Wissenschafter sprechen von "Überlagerungszuständen" - zwischen zwei Möglichkeiten einnehmen. Mit mehreren Qubits könnte man deshalb bestimmte Probleme wesentlich schneller lösen als in einem klassischen Computer.

Solche Überlagerungszustände lassen sich in unterschiedlichen Quantensystemen realisieren: etwa in elektromagnetischen Fallen gehaltene Ionen, winzige Defekte in Festkörpern wie Diamanten oder in Nanostrukturen "eingesperrte" Elektronen (Quantenpunkte). Jörg Schmiedmayer und ein Team vom Vienna Center für Quantum Science and Technology (VCQ) der Technischen Universität (TU) Wien haben gemeinsam mit japanischen Wissenschaftern nun vorgeschlagen, Stickstoff-Fremdatome in Diamant (sogenannte NV-Zentren, die dem Diamant eine rote Färbung geben) eingesperrt in optische Resonatoren als robuste Qubits zu verwenden.

Physische Qubits

Bei jedem Stickstoff-Atom befindet sich ober- und unterhalb der Diamantschicht ein kleiner Spiegel. Über Glasfaserleitungen können Photonen in Kontakt mit dem Quantensystem gebracht und so sein Zustand manipuliert und ausgelesen werden. Jedes einzelne dieser Quantensysteme aus einem Stickstoff-Atom, Diamant (NV-Zentrum) und zwei Spiegeln kann ein Qubit an Information tragen (physikalisches Qubit). Das neue Verfahren erlaubt es, viele der ungünstigen Eigenschaften des NV Zentrums zu umgehen und so sehr verlässliche Quantenoperationen durchzuführen.

Diese Quantenoperationen sind aber nie perfekt und ein physikalisches Qubit daher anfällig für Störeinflüsse. Notwendig sind daher sogenannte Fehlerkorrektur-Verfahren. Zum Speichern eines Qubits reicht dann nicht mehr ein solches Quantensystem, notwendig ist vielmehr "eine komplizierte Architektur aus vielen miteinander verbundenen Systemen", ein sogenanntes "logisches Qubit", so Michael Trupke von der TU.

Eigene Algorithmen

Ein Einsatzgebiet für Quantencomputer ist die Primfaktorenzerlegung sehr großer Zahlen, was etwa für Verschlüsselungen (Kryptographie) benötigt wird. Im Jahr 2001 hat IBM mit einem Quantencomputer mit sieben Qubits die Zahl 15 in die Faktoren 5 und 3 zerlegt. Schmiedmayer und sein Team haben nun berechnet, dass 4,5 Milliarden solcher aus Stickstoff-Atom, Diamant und zwei Spiegeln bestehende Quantensysteme (physikalische Qubits) notwendig wären, um eine Zahl mit 616 Stellen zu zerlegen. Konkret müsste dazu auf dem Quantencomputer ein sogenannter Shor-2048-Algorithmus laufen. Mit solchen vom US-Informatiker Peter Shor entwickelten Algorithmen können auf einem Quantencomputer Primfaktoren von Zahlen berechnet werden.

Kleine Version in Arbeit

Nach Angaben der Wissenschafter wäre diese große Zahl an Quantensystemen bei allen Quantencomputer-Konzepten notwendig, egal ob Ionen, Quantenpunkte oder andere Architekturen verwendet werden. Als Vorteil im neuen Konzept sehen die Wissenschafter, "dass man im Prinzip weiß, wie man alles verkleinern, integrieren und vervielfachen kann", so Trupke, der mit seinen Kollegen an der TU bereits daran arbeitet, eine kleine Version dieser Architektur experimentell herzustellen.

Die hohe Zahl notwendiger Quantensysteme schreckt die Wissenschafter auch nicht. Schmiedmayer erinnert an die Anfänge der Informationstechnologie: "Als man die ersten Transistoren herstellte, konnte man sich auch noch nicht vorstellen, wie es je gelingen kann, Milliarden von ihnen auf einem Chip unterzubringen - und heute tragen wir solche Chips in der Hosentasche mit uns herum."