Quantencomputer - Teil 3 - Die Bauarten

Mi, 18. August 2021, Ralf Hersel

Noch ist das Konstruieren von Quantenrechnern ein grosses Experimentierfeld. Qubits lassen sich auf sehr unterschiedliche Weise implementieren - etwa mit Ionenfallen, Gitterdefekten, supraleitenden Schaltkreisen oder Halbleiterspins.

Kein Quantencomputer, sondern nur ein Kryostat, also ein Kühlschrank

Die Voraussetzungen zur Konstruktion eines Quantencomputers hat der amerikanische Quanten-Physiker David DiVincenzo bereits 1996 formuliert:

  • Ein skalierbares physikalisches System mit wohldefinierten Qubits
  • Die Möglichkeit die Qubits auf einen vorgegebenen Zustand zu initialisieren
  • Eine universale Menge von Quantengattern
  • lange relevante Dekohärenz-Zeiten, viel länger als die Operationszeit der Gatter
  • Eine für die Qubits spezifische Messvorrichtung ihres Zustands

Ausserdem gab er zwei zusätzliche Kriterien für Quantenkommunikation an:

  • Die Möglichkeit, stationäre und im Kommunikationskanal befindliche Qubits ineinander zu überführen
  • Die Möglichkeit, Qubits über einen Kommunikationskanal über längere Strecken zu übertragen

Bevor man in den Keller geht, um einen Quantencomputer zusammenzuschrauben, sollte man sich über die zwei verschiedenen Arten dieser Computer im Klaren sein. Es gibt Annealer (adiabatische Systeme) und Probabilisten. Die Annealer sind 'one-trick-ponys', da sie in der Regel nur eine Aufgabe lösen können, dafür aber sehr gut. Typische Beispiele sind:

Bei adiabatischen Quantencomputern ist bereits die Hardware auf eine bestimmte Aufgabe ausgelegt. Ein Vergleich mit klassischen Computern wären die Crypto-Mining ASICs, die nichts können, ausser Mining. Das Gegenteil sind die probabilistischen Quantencomputer (Turing-Maschinen), welche ihre klassische Entsprechung bei den heutigen PCs finden. Es sind Allround-Maschinen, mit denen sich vielfältige Aufgaben erledigen lassen.

Hier sind die grundlegenden Bauarten von Quantencomputern, bei denen der grosse Unterschied zu klassischer Computer-Hardware sehr deutlich wird:

Ionenfallen

Zunächst werden einzelne Ionen in einer Ionenfalle gespeichert. Dazu nutzt man die positive Ladung des Ions, dank der es sich in einem elektrischen Wechselfeld einfangen lässt, der Paul-Falle. Danach wird das eingefangene Ion mit Laser-generierten Photonen bestrahlt. Dabei wird es jedes Mal leicht abgebremst, bis es nach einiger Zeit zum Stillstand kommt. Sobald das Ion kalt genug ist, verwendet man erneut Laserstrahlung, um auch die Elektronen aus der Atomhülle in ihr niedrigstes Energieniveau zu überführen. Eben jenes Prinzip verwendet man dann auch, um ein einzelnes Qubit in einen beliebigen Superpositionszustand zu überführen. Bestrahlt man das Ion nur für den Bruchteil der Zeit, den es benötigt, ein ganzes Photon zu absorbieren, geht es in einen Überlagerungszustand zwischen angeregtem und Grundzustand über. Es entspricht dann der berühmten Schrödinger-Katze. Erst beim Messen entscheidet sich, in welchem Zustand sich das Ion befindet.

Gitterdefekte

Eine weitaus stabilere Alternative für die Lokalisierung von Ionen ist, sie in ein Kristallgitter fest einzubauen. Man spricht dann von Gitterdefekten. Der verbreitetste Gitterdefekt, der als Qubit genutzt wird, ist der Stickstoff-Fehlstellen-Defekt in Diamanten. Ähnlich wie die Elektronenhülle von Atomen besitzen auch die Elektronen der Stickstoff-Fehlstellen-Defekte Quantenübergänge im optischen und im Mikrowellenbereich des Spektrums. Diese Übergänge lassen sich mit Laserpumpen in ihren quantenmechanischen Grundzustand bringen, also das System in einem bekannten Zustand zu initialisieren. Als Qubit dient dann der Elektronenspin des Defekts. Um nach der Manipulation des Qubits durch Mikrowellenstrahlung seinen Zustand auszulesen, lassen sich abermals die optischen Übergänge der Stickstoff-Fehlerstellen-Defekte nutzen, denn diese hängen vom Spinzustand ab: Nur wenn ein Übergang möglich ist, beginnt der Defekt zu fluoreszieren. Daraus lassen sich Rückschlüsse auf ihren ursprünglichen Quantenzustand ziehen, wodurch eine Quantenmessung möglich ist.

Supraleitende Qubits

Diese Qubit-Systeme werden oft als künstliche Atome beschrieben, die sich massenhaft in elektronischen Schaltkreisen (wie bei klassischen Transistoren auf Halbleitern) implementieren lassen. Kühlt man diese Festkörper-Qubits nahe an den absoluten Nullpunkt herunter, entwickeln sie Quanteneigenschaften. Will man aus einem Supraleiter ein Qubit bauen, formt man aus ihm eine Art nicht linearen Schwingkreis auf einem Computerchip. Die supraleitenden Qubits initialisieren sich selbstständig; nach einer gewissen Zeit gehen die Quantenanregungen in ihren energetisch niedrigsten Zustand über. Wie bei den Elektronenspinübergängen arbeitet man bei den supraleitenden Qubits mit Mikrowellenstrahlung. Deshalb sieht man bei den Systemen von IBM und Google viele Koaxialkabel im Kryostaten, die der Übertragung der Mikrowellenstrahlung vom Generator bis zum Qubit und vom Qubit zurück zum Detektor dienen. Zum Auslesen des Quantenzustands wird das Qubit an einen Mikrowellenresonator gekoppelt. Der Quantenzustand des Qubits beeinflusst dessen Resonanzfrequenz. Kleinste Veränderungen erlauben das Messen des ursprünglichen Qubit-Zustands. Einem Vorteil der supraleitenden Qubits (massenhafte Implementierung auf Halbleitern), steht ein Nachteil bei der Skalierbarkeit gegenüber: Die Grösse der Umsysteme (Millionen von Mikrowellengeneratoren und die Leistung der Kryostaten). Deshalb sieht man bei diesen Systemen in erster Linie Kühlschränke (siehe Titelbild).

Spins in Halbleitern

Eine bessere Skalierbarkeit versprechen Spins in Halbleitern. Dort kann man einzelne Elektronen in sogenannten Quantenpunkten fangen, die einen Durchmesser von wenigen Nanometern haben. Auch hier kühlt man das System mithilfe von Kryostaten fast auf -273 Grad Celsius herunter, um die Spins in ihrem Grundzustand zu initialisieren. Wiederum werden Mikrowellensignale verwendet, um einzelne Spinzustände beliebig zu verändern. Ein Vorteil dabei ist, dass diese Veränderung sehr schnell ausgeführt werden kann (wenige Milliardstel Sekunden). Öffnet man zwei benachbarte Quantenpunkte zueinander, entsteht ein verschränkter Zustand zwischen diesen (Elektronen überlappen sich im quantenmechanischen Sinne). Nach ihrer Trennung verbleiben die Elektronenspins im verschränkten Zustand. Leider funktioniert das nur bei benachbarten Spins. Der grosse Vorteil dieser Technik ist, dass sie mit herkömmlicher Halbleitertechnik kompatibel ist. Aber auch hier wird eine Armada an Kryostaten und Mikrowellentechnik benötigt.

Fazit

Alle oben beschriebenen Techniken funktionieren und wurden von Firmen wie IBM, Google, Rigetti, D-Wave und andern tatsächlich gebaut. Tatsache ist, dass noch niemand den universellen "Quanten-Transistor" gefunden hat. Mehrere Systeme konkurrieren miteinander und haben alle Vor- und Nachteile, wobei zurzeit die Nachteile überwiegen:

  • unzureichende Skalierbarkeit aufgrund der aufwändigen Umsysteme (Kühlung, Messung)
  • es können (noch) nicht genügend Qubits über einen sinnvollen Zeitraum stabil gehalten werden
  • die Verschränkung genügend vieler Qubits miteinander, ist völlig unzureichend
  • aufgrund ihrer Fehleranfälligkeit, werden Millionen physischer Qubits gebraucht, um ein gutes logisches Qubit zu erhalten

Im nächsten und vierten Teil dieser Serie stelle ich Möglichkeiten vor, um Quantencomputer auszuprobieren.

Bildnachweis: https://live.staticflickr.com/4788/40786969122_9a55880199_b.jpg

Quellen:

https://www.datacenter-insider.de/was-ist-ein-adiabatischer-quantenrechner-a-1031317/

https://de.wikipedia.org/wiki/Ionenfalle

https://shop.heise.de/ix-special-2021-quantencomputer/Print