Der Quantencomputer beruht auf der Verwendung von Quantenbits (Qubits), die als grundlegende Informationseinheit fungieren. Während klassische PCs auf binäre Operationen setzen, also 0 oder 1, fußt ein Quantencomputer auf quantenmechanischen Zuständen, die nicht nur 0 oder 1 für sich, sondern auch beide Zustände gleichzeitig einnehmen können („Superposition“). Hinzu kommt, dass mehrere Qubits in einer Art „Fernwirkung“ miteinander verschränkt werden können.
Diese Effekte kann man nutzen, um bestimmte Berechnungen schneller durchzuführen. Wird ein Zustand jedoch gemessen, geht der Überlagerungszustand verloren, weshalb die Physiker Tricks anwenden müssen, um die Information doch noch zu erhalten. Beim quantenphysikalischen System, von dem die Innsbrucker Physiker in der aktuellen Ausgabe des Fachjournals „Nature“ berichten, handelt es sich um gefangene Ionen.
Aus Qubits werden logische Qubits
Da diese Informationsträger sehr anfällig auf Störungen von außen sind, können diverse Fehler im Qubit auftreten. Mit solchen Problemen, bei denen die Informationseinheit prinzipiell noch vorhanden ist, kann die Forschung mittlerweile schon recht gut umgehen. In einigen Fällen kommen Qubits aber auch einfach abhanden, indem tatsächlich Ionen verloren gehen oder die Einheiten komplett in unerwünschte Energiezustände übergehen, erklärte Roman Stricker vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck.
Ein Verlust des Qubits stellt die Wissenschaftler vor fundamentale Probleme und ist daher gerade „ein großes Thema“. Das Team um Stricker und Rainer Blatt, sowie Theoretiker aus Deutschland und Italien, haben sich dieser Frage nun mit „logischen Qubits“ angenähert. „Die Idee ist, mehrere physikalische Qubits – also Ionen – zu nehmen, und sie in ein großes Qubits zu verpacken“, sagte Stricker.
Im Fall des neuen Ansatzes, der experimentell in Innsbruck bereits überprüft wurde, besteht das logische Qubit aus vier Ionen. Stricker: „Auf einem haben wir dann künstlich einen Verlust induziert.“ In weiterer Folge konnten die Physiker zeigen, dass auch das nur noch aus drei Ionen bestehende Ensemble immer noch die Eigenschaften des ursprünglichen logischen Qubits besitzt. „Wir können dann mit der gleichen Information wie zu Beginn weitermachen“, erklärte der Erstautor der Arbeit.
Ausbaufähiges Konzept
Der Trick dabei ist, überhaupt verlässlich nachzuweisen, dass ein Ion verloren geht, ohne mit einer direkten Messung den gemeinsamen Überlagerungszustand zu zerstören. Um dies zu realisieren, führten die Wissenschaftler ein zusätzliches Ion ein, das nicht direkt Teil des logischen Qubits ist, mit diesem aber über den bizarren Quanteneffekt der „Verschränkung“ in Verbindung steht. „Wir können dann die Information, ob wir einen Qubit-Verlust haben oder nicht, auf dieses zusätzliche Qubit hinüberschreiben. Und das können wir dann auslesen“, sagte Stricker.
Nach den nunmehrigen Tests in einem kleinen System könnten in Zukunft durchaus noch mehr Qubits in einem logischen Qubit integriert werden, zeigte sich der Forscher überzeugt. Das würde Quantencomputer insgesamt resistenter gegenüber Fehlern, inklusive dem gefürchteten Informationsverlust machen.