Digitalisierung, Big Data, Künstliche Intelligenz – trotz enormer Rechenleistung stoßen Supercomputer auch an ihre Grenzen. Quantencomputer sollen in Zukunft diese Grenzen weiter verschieben. Probleme, die mit unseren heutigen Computern nicht lösbar sind, sollen dann geknackt werden.

Ein Quantencomputer arbeitet auf den Grundlagen der Quantenphysik. Im Gegensatz zu den klassischen Computern, wo ein Bit entweder den Zustand 0 oder 1 annimmt, können die Qubits des Quantencomputers beide Zustände gleichzeitig haben. Durch diesen Überlagerungszustand können Berechnungen zeitgleich stattfinden, die normalerweise nacheinander erfolgen müssten, was die Quantencomputer ausgesprochen schnell macht.

Haben unsere alten Computer bald ausgedient?
Foto: imago/Panthermedia

Messung zerstört Information

Auch in Österreich wird an der nächsten Generation der Quantentechnologie geforscht. Die Universität Innsbruck arbeitet beispielsweise mit IBM zusammen. Aber trotz technischer Fortschritte und "Big Tech"-Wettrennen sind noch immer einige Probleme ungelöst, die einer Routineanwendung von Quantencomputern im Wege stehen. Zum einen sind die Qubit-Systeme extrem anfällig gegenüber äußeren Störfaktoren. Zum anderen zerstört das Auslesen der Bits ihre Information, was Fehlerkorrekturen erschwert.

Ein Konzept des Quantencomputers nutzt sogenannte Spins von Elektronen in winzigen Silizium-Strukturen. Für die Messung des Spins, den man sich wie einen Drehimpuls vorstellen kann, wird er in eine Ladung überführt, die sich leicht auslesen lässt. Dabei wird der Spin des Elektrons allerdings verändert. Forscher am RIKEN Center for Emergent Matter Science in Japan haben nun eine Methode entwickelt, mit der sich der Spin messen lässt, ohne ihn zu zerstören.

IBM Quantencomputer auf der Consumer Electronics Show in Las Vegas
Foto: AP/Ross D. Franklin

Kopierfehler statt Messfehler

In der Studie, die im Wissenschaftsjournal "Nature Communications" erschienen ist, nutzten die Wissenschafter weiterhin die Umwandlung von Spin zu Ladung, rührten dabei aber das Elektron selbst nicht an. Stattdessen übertrugen sie seine Eigenschaften auf ein zweites Qubit. Auch wenn die Information der Kopie bei der Messung zerstört wurde, blieb das Original unverändert.

Die Übertragung zwischen Original und Kopie konnte wiederholt und damit der Spin mehrfach ausgelesen werden. Die Messung erfolgte in nur wenigen Mikrosekunden, was für die kurzlebigen Spins von Bedeutung ist. Durch das Auslesen des Qubits, ohne es zu verändern, können Störungen im System erkannt und korrigiert werden.

Durch wiederholte Messungen der Kopie kann auch der Messfehler minimiert werden, wodurch die Wissenschafter eine Auslesegenauigkeit von 95 Prozent erreichten. Die verbleibende Fehlerrate sei vor allem auf Kopierfehler bei der Informationsübertragung zurückzuführen. Weitere Forschung soll diese Schwachstelle verbessern. (Friederike Schlumm, 23.3.2020)