Quantensprung für Computer:
Forscher verschränken neuartige Qubits

Ein Durchbruch in der Quantencomputertechnik verspricht effizientere und leistungsfähigere Systeme: Chinesische Forscher haben erstmals eine neue Art von Quanten-Bausteinen erfolgreich miteinander verschränkt.

John Woll, 16.01.2025 12:22 Uhr

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Neue Qubit-Art: Durchbruch für Quantencomputer

Quantencomputer nutzen die besonderen Eigenschaften der Quantenwelt, um bestimmte Berechnungen viel schneller durchzuführen als herkömmliche Computer. Die Grundbausteine dieser Systeme sind Qubits, die quantenmechanische Zustände darstellen. Ein Team der Tsinghua Universität unter Leitung von Professor Luming Duan hat nun sogenannte Dual-Typ-Qubits entwickelt und erfolgreich miteinander verschränkt.

Diese speziellen Qubits können Informationen in zwei verschiedenen Quantenzuständen gleichzeitig speichern. Das macht sie flexibler und weniger anfällig für Störungen als herkömmliche Qubits. Um die Dual-Typ-Qubits zu verschränken - also in einen Zustand zu bringen, in dem sie untrennbar miteinander verbunden sind - verwendeten die Forscher ein ausgeklügeltes Lasersystem.

"Wir haben sorgfältig mehrere Frequenzkomponenten im Antriebslaser gestaltet, sodass sie die beiden Qubit-Typen koppeln", erklärt Duan. Dabei nutzten sie die gemeinsamen Schwingungen der Ionen als eine Art "Quantenbus", um die Verschränkung zu erzeugen. In Experimenten erreichten sie eine Genauigkeit von 96,3 Prozent bei der Verschränkung - ein Wert, der mit herkömmlichen Methoden vergleichbar ist.

Keine zusätzliche Hardware

Die in Physical Review Letters veröffentlichte Studie zeigt, dass Dual-Typ-Qubits das Potenzial haben, Quantencomputer leistungsfähiger zu machen, ohne zusätzliche Hardware zu benötigen. Dies könnte die Entwicklung praktischer Quantencomputer beschleunigen. Als nächstes plant das Forscherteam, ihre Methode für die Quantenfehlerkorrektur einzusetzen - ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu zuverlässigen Quantencomputern.

Was ist ein Quantencomputer?

Ein Quantencomputer ist ein neuartiger Computertyp, der die Gesetze der Quantenmechanik nutzt, um bestimmte Berechnungen deutlich schneller durchzuführen als klassische Computer. Anders als herkömmliche Computer arbeitet er nicht mit Bits (0 oder 1), sondern mit Qubits.

Diese Qubits können dank Quantenverschränkung und Superposition mehrere Zustände gleichzeitig annehmen. Dadurch können Quantencomputer bestimmte komplexe Probleme um ein Vielfaches schneller lösen als klassische Rechner.

Wozu braucht man Quantencomputer?

Quantencomputer sind besonders nützlich für komplexe Optimierungsprobleme, wie sie in der Logistik, Materialforschung oder Finanzwirtschaft vorkommen. Sie können chemische Reaktionen simulieren und damit die Entwicklung neuer Medikamente beschleunigen.

Ein weiteres wichtiges Einsatzgebiet ist die Kryptografie. Quantencomputer könnten bestehende Verschlüsselungsmethoden knacken, aber auch neue, abhörsichere Kommunikationswege ermöglichen.

Wie funktioniert ein Qubit?

Ein Qubit basiert auf quantenmechanischen Systemen wie Elektronen oder Photonen. Anders als klassische Bits können Qubits dank der Quantensuperposition gleichzeitig den Wert 0 und 1 annehmen.

Durch Quantenverschränkung können mehrere Qubits miteinander verbunden werden, wodurch die Rechenleistung exponentiell steigt. Allerdings sind Qubits sehr empfindlich gegenüber Störungen und müssen auf fast den absoluten Nullpunkt gekühlt werden.

Ersetzt der Quantencomputer den PC?

Nein, Quantencomputer werden klassische Computer nicht ersetzen. Sie sind Spezialrechner für bestimmte komplexe Probleme, während klassische Computer für alltägliche Aufgaben weiterhin besser geeignet sind.

Wahrscheinlich werden Quantencomputer zukünftig als Co-Prozessoren oder Cloud-Services genutzt, auf die klassische Computer bei Bedarf zugreifen können.

Wie teuer ist ein Quantencomputer?

Die aktuellen Kosten für einen Quantencomputer liegen im Bereich von mehreren Millionen Euro. Der Großteil der Kosten entsteht durch die notwendige Kühltechnik und die hochpräzise Steuerungselektronik.

Zusätzlich fallen hohe Betriebskosten an, da die Systeme permanent auf unter -270 °C gekühlt werden müssen. Experten erwarten, dass die Kosten in den nächsten Jahren deutlich sinken werden.

Sind Quantencomputer gefährlich?

Quantencomputer selbst sind nicht gefährlich, aber sie könnten bestehende Verschlüsselungsmethoden knacken. Dies könnte sensitive Daten wie Bankverbindungen oder verschlüsselte Kommunikation gefährden.

Deshalb wird bereits an quantensicheren Verschlüsselungsmethoden gearbeitet. Diese sollen auch gegen Angriffe durch Quantencomputer sicher sein und rechtzeitig implementiert werden.

Wer entwickelt Quantencomputer?

Die Entwicklung wird von großen Tech-Unternehmen wie IBM, Google und Intel vorangetrieben. Auch Startups wie IonQ und Rigetti arbeiten an der Technologie.

Daneben forschen zahlreiche wissenschaftliche Institute und Universitäten weltweit an Quantencomputern. Deutschland ist durch Forschungseinrichtungen wie das Forschungszentrum Jülich ebenfalls stark vertreten.

Zusammenfassung

Chinesische Forscher verschränken neue Art von Quantenbausteinen
Dual-Typ-Qubits speichern Informationen in zwei Quantenzuständen
Verschränkung erfolgt durch speziell gestaltetes Lasersystem
Genauigkeit von 96,3 Prozent bei der Verschränkung erreicht
Die Methode verspricht effizientere und leistungsfähigere Quantencomputer
Nächster Schritt: Einsatz für Quantenfehlerkorrektur geplant

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