Quanten? Logisch!
Steuerbare Nicht-Gatter für supraleitende Quantenbits
Auf dem Weg zum Quantencomputer sind noch viele Hürden zu überwinden. Niederländischen Forschern gelang es jetzt, ein steuerbares Nicht-Gatter für ein Paar von Qubits zu konstruieren. Damit werden logische Schaltungen für verschränkte Qubits möglich.
Quantencomputer basieren auf einem komplett anderen Funktionsprinzip als elektronische Rechner: Quanten mit bestimmten Eigenschaften – Quantenbits oder Qubits genannt – werden miteinander verschränkt, so dass sie instantan Zustandsänderungen eines anderen Qubits „spüren“ (Vgl. Real oder nicht real?). Weil Quanten keinen eindeutigen Zustand einnehmen, können Qubits nicht nur eine Lösung eines Problems berechnen, sondern gleichzeitig sämtliche Lösungen, was die Rechenzeit deutlich reduzieren würde.
NOT und CNOT
All diese Betrachtungen sind theoretischer Art - es fehlen noch viele Elemente, um Quantencomputer konstruieren zu können, darunter auch logische Schaltungen, um überhaupt Rechenoperationen ausführen zu können. Ein wichtiges und einfaches Element in Schaltlogiken ist ein Nicht-Gatter (NOT), das aus jeweils einem Ein- und Ausgang besteht. Der Wert, der am Eingang anliegt wird dann invertiert: aus einer 1 wird eine 0, aus einer 0 eine 1. Eine erweiterte Version ist das steuerbare Nicht-Gatter (CNOT), das noch einen zusätzlichen Steuereingang enthält. CNOT verhält sich wie ein NOT für den Zieleingang, wenn am Steuereingang eine 1 anliegt. Wenn dort eine 0 anliegt, wird der Wert am Zieleingang nicht verändert. Der Steuereingang wird unverändert wieder ausgegeben.
Solch eine Konstruktion für ein verschränkter Paar von Flux-Qubits hat nun eine Forschungsgruppe der Technischen Universität Delft in der Zeitschrift Nature beschrieben. Die Gruppe hat bereits durch eine Methode zum Auslesen von Flux-Qubits in der Fachwelt auf sich aufmerksam gemacht.
Flux-Qubits
Flux-Qubits sind Quantenbits, die als Datenspeicher die Orientierung des magnetischen Flusses verwenden - im Gegensatz zu anderen Methoden, die beispielsweise Polarisation von Photonen, Elektronen- oder Kernspins bzw. supraleitende Ladungen als Datenspeicher benutzen. Die Kopplung der Qubits erfolgt ebenfalls magnetisch. Die Gruppe verwendet supraleitende Qubits mit Josephson-Kontakten, bei denen supraleitende Ströme, die aus gepaarten Elektronen (Cooper-Paaren) bestehen, durch normalleitende Bereiche hindurchtunneln und sich weiterhin ohne elektrischen Widerstand bewegen, bis eine kritische Stromstärke erreicht wird, die zum Verhalten eines Normalleiters führt: Die Cooper-Paare brechen auf, und am Kontakt fällt eine Spannung ab.
Befindet sich das Qubit-System im Grundzustand (00) wird durch Anregung der Probe mit Mikrowellen ein anderer Zustand eingestellt. Welcher Zustand angenommen werden soll, kann über die Frequenz des Pulses bestimmt werden. Ein weiterer Mikrowellenpuls führt das CNOT aus und schließlich können die Zustände der Flux-Qubits ausgelesen werden. Dieser Endzustand kann durch weitere Pulse wiederum verändert werden, z.B. kann dann das CNOT ein weiteres Mal ausgeführt werden. Da die Qubits symmetrisch angeordnet sind, kann jedes der beiden Qubits das CNOT für das andere steuern. Nach einer Reihe von Versuchen werden die Ergebnisse des CNOT-Gatters mit den theoretischen Werten verglichen.
Für das CNOT-Gatter wird dann ein Zuverlässigkeitswert definiert, der sich bei einer vollständigen Übereinstimmung der gemessenen Qubits mit den idealen Werten den Wert von 1 annimmt, bei einer rein zufälligen Verteilung der Qubits ergibt sich eine Zuverlässigkeit von 0. Die Forscher erhielten bei diesem Experiment einen Wert für die Zuverlässigkeit von 0,4, was sich aus verschiedenen Gründen ergibt. Das Nicht-Funktionieren des CNOT-Gatters gehört ihrer Ansicht nach zu den kleineren Faktoren. Dazu treten Fehler beim Auslösen des Gatters mit dem Mikrowellenpuls und vor allem die kurze Kohärenzzeit der eindeutig bestimmten Zustände in diesem Experiment. Dies bedeutet, dass ein eindeutig bestimmter Zustand sich zu einem unschärferen Zustand hin entwickelt, dessen Zeitskala als Kohärenzzeit bezeichnet wird. Die Wissenschaftler sind jedoch optimistisch, dass sie durch eine Verbesserung der Anordnung des Experiments die Kohärenz und damit auch die Zuverlässigkeit verbessern können.