Auf Basis von Ionen haben Wissenschaftler einen Quantenprozessor entwickelt, der sich beliebig programmieren lässt. Bisher ließen sich auf vergleichbaren Systemen nur spezifische Algorithmen und damit Aufgaben ausführen.

Ein Team am National Institute of Standards and Technology in Boulder, Colorado, entwickelten einen Quantenprozessor, der mit zwei Qubits rechnet. Dazu dienen ihnen zwei Berylliumionen, die sie in einer elektromagnetischen Falle festhielten. Wie auch im klassischen Computer verarbeiten hier eine Reihe von Logikgattern die Informationen. Allerdings liegen diese "Quantengatter" nicht in Form eines elektronischen Bauteils vor, sondern bestehen aus mehreren fein abgestimmten Laserpulsen. Sie manipulieren die Ionen derart, dass die gewünschte logische Operation auf den Qubits ausgeführt wird. Ein weiterer Laser liest dann die Ergebnisse der Berechnung aus.

David Hanneke und seine Kollegen prüften nun, welche Quantenalgorithmen sich auf den beiden Qubits ausführen lassen. Aus einer unendlichen Anzahl von möglichen Programmen, wählten sie zur Demonstration zufällig 160 aus. Meist rechneten die Forscher dabei nur mit einem Ion, in einigen Fällen auch mit beiden. Für jede Operation waren dabei mehr als 30 verschiedene Quantengatter vonnöten, jeweils codiert in maßgeschneiderten Laserpulsen. Jeden der 160 Algorithmen ließen sie 900 Mal durchlaufen.

Anschließend verglichen die Forscher die Ergebnisse mit theoretischen Vorhersagen und konnten so die Universalität des Prozessors belegen. Allerdings waren die Rechnungen nur in 79 Prozent der Fälle korrekt. Zurückzuführen sei das auf die leicht schwankende Intensität der Laserpulse. Zudem würden die Laserstrahlen aufgespaltet, reflektiert und in verschiedener Weise manipuliert werden, bevor sie auf die Ionen treffen, was eine zusätzliche Fehlerquelle darstelle.

Um das nun realisierte Bauteil in einem zukünftigen Quantencomputer zu implementieren, sollte die Genauigkeit bei rund 99,99 Prozent liegen. Die Stabilität des Lasers sowie die optischen Bauteile müssten dafür noch erheblich verbessert werden, so die Wissenschaftler. Um komplexere Probleme zu behandeln, seien zudem viele hundert Qubits und Quantengatter nötig – ein Ziel, das noch in weiter Ferne liege. Hanneke und sein Team schlagen als weiteren Schritt in diese Richtung vor, die Zwei-Qubit-Prozessoren zu einem größeren System zu verbinden. (mp)