ETH Zürich
Neue Architektur für programmierbare Quantencomputer
ETH-Forschende haben eine neue Quantencomputerarchitektur entwickelt, die mechanische Resonatoren mit supraleitenden Qubits kombiniert. Der Ansatz erhöht die Speicherkapazität, ermöglicht komplexere Berechnungen und gilt als wichtiger Schritt hin zu frei programmierbaren Quantencomputern.
Die ETH-Physikerin Yiwen Chu und ihr Team haben eine neue Rechnerarchitektur für Quantencomputer entwickelt. Im Mittelpunkt steht die Kombination supraleitender Qubits mit mechanischen Resonatoren, die als Quantenspeicher dienen. Im Gegensatz zu vielen bisherigen Ansätzen trennt die Architektur Rechen- und Speichereinheit stärker voneinander – ähnlich wie klassische Computer mit Prozessor und Arbeitsspeicher. Ihre Ergebnisse haben die Forschenden im Fachmagazin Science veröffentlicht.
Neue Rechnerarchitektur nach dem Vorbild klassischer Computer
Mit ihrem Ansatz orientieren sich die Forschenden bewusst an der Architektur klassischer Computer. Dort verarbeitet ein Prozessor (CPU) Daten, die getrennt in einem Arbeitsspeicher (RAM) abgelegt sind. Eine solche Trennung von Rechen- und Speichereinheit soll auch Quantencomputer flexibler und leistungsfähiger machen.
In der neuen Architektur übernimmt ein supraleitendes Qubit die Rolle der zentralen Rechen- und Steuereinheit. Die zu verarbeitende Information wird dagegen in einem separaten Quantenspeicher abgelegt.
»In unserem Quanten-Arbeitsspeicher wird die Information jedoch nicht – wie heute zumeist üblich – elektromagnetisch gespeichert, sondern in Form mechanischer Schwingungen«, erklärt Chu.
Für eine Berechnung greift das Qubit auf eine gespeicherte Schwingung zu, verarbeitet die darin enthaltene Information, verändert ihren Quantenzustand und legt sie anschließend wieder im Quantenspeicher ab. Dieser besteht aus winzigen mechanischen Resonatoren, die beim Speichern in Schwingung versetzt werden.
Jede Schwingung speichert eine Information
Wie die Saiten einer Gitarre, die je nach Schwingung andere Töne erzeugen, können auch die Resonatoren auf sehr viele verschiedene Arten schwingen – Physiker:innen sprechen hier von Schwingungsmodi. In der Sprache der Informatik entsprechen diese Modi der Anzahl verfügbarer Speicherplätze. Heißt: Jede Art von Schwingung speichert eine andere Information.
Innerhalb der Schwingungsmodi lassen sich wiederum unterschiedliche Schwingungszustände realisieren. Gemeint ist damit der jeweils konkrete Zustand einer Schwingung, in dem die Information so gespeichert ist, dass sie sich flexibel abrufen und wieder ablegen lässt.
Informationstheoretisch entsprechen diese Zustände dem jeweiligen Inhalt der Speicherplätze. Quantenphysikalisch stellen diese Zustände jedoch den entscheidenden Unterschied zur Gitarre dar – und auch zum digitalen Computer: Die Schwingungen einer Saite folgen den Regeln der klassischen Physik, die unsere Alltagswelt beschreibt. Im Quantenchip dagegen gelten die Gesetze der Quantenmechanik, die erklärt, wie sich die Welt der kleinsten Teilchen verhält. Dort können sich Zustände gleichzeitig überlagern und miteinander verschränken – ein solches Sowohl-als-auch kennt die klassische Physik nicht. Auch digitale Computer arbeiten nur mit zwei klar getrennten Zuständen: 0 oder 1.
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
Chu hat 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 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.