Ein Team um den Chemiker Alan Aspuru-Guzik von der Harvard University hat einen quantenmechanischen Schaltkreis konstruiert, der mit Hilfe verschränkter Photonen die Energieniveaus der Elektronen in einem Wasserstoffmolekül berechnet. Solche Schaltkreise sind die Bauelemente für die Konstruktion extrem leistungsfähiger Quantencomputer, die bisher nur in der Theorie existieren.
Quantencomputer rechnen mit Quanten-Bits, kurz Qubits, die nicht wie gewöhnliche Bits entweder den Wert 0 oder 1, sondern eine Superposition beider Zustände einnehmen. Dadurch sind spezielle Quantenalgorithmen möglich, die Aufgaben weitaus effizienter lösen können als klassische Algorithmen. Aspuru-Guzik und sein Team verwenden nun ein optisches System, in dem verschränkte Photonen die Rolle der Qubits übernehmen. Die Information ist in ihrer Schwingungsrichtung kodiert; die logischen Bauteile bestehen aus Strahlteilern sowie Polarisationsfiltern, die die Schwingungsebene der Photonen drehen.
Aufbau des Quantenschaltkreises | Die Photonenquelle erzeugt zwei verschränkte Photonen, C (Control) und R (Register). Die grünen und blauen Balken sind Filter, die die Polarisationsebene des Lichts um einen bestimmten Betrag drehen. H, X und die Quadrate kennzeichnen logische Gatter.
Die eigentliche Berechnung wandelte eine 20-Bit-Zahl, welche die Wellenfunktion des Wasserstoffmoleküls repräsentiert, in eine andere um, aus der die Wissenschaftler um Aspuru-Guzik die exakten Elektronenenergien berechneten. Jedes Qubit wurde dabei 31 Mal vermessen, um Fehler zu eliminieren. Auf diese Weise erhielten die Forscher mit hoher Genauigkeit die Energien des elektronischen Grundzustands sowie dreier angeregter Zustände.
Entscheidend für den Erfolg dieses Experiments ist eine Besonderheit des Quantenrechnens: Unter bestimmten Bedingungen verhalten sich Qubits genau wie beliebige andere Quantenobjekte, man kann mit ihnen also prinzipiell jedes Quantensystem simulieren. Genau wie man beim klassischen Computer die Grundrechenarten als Schaltkreis kodiert, bauten die Wissenschaftler aus den logischen Bauteilen des Quantencomputers die gewünschte mathematische Arbeitsanweisung (den Hamilton-Operator) nach.
Die Eingabewerte für die Simulation mussten allerdings noch mit klassischen Computern generiert werden. Diesen Schritt als Quantenschaltkreis zu verwirklichen, sei die nächste große Aufgabe auf dem Weg zum Quantencomputer, schreiben Aspuru-Guzik und Co. Aber auch darüber hinaus warten noch Herausforderungen auf die Forscher: Verschränkte Qubits können nicht in beliebig großer Menge produziert werden, und die bisherigen Konstruktionen sind zu umständlich und fehleranfällig für kompliziertere Anwendungen. (lf)
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