Mechanische Schwingungen Ein „schwingender“ Speicher für Quantencomputer

Beim Sichern stoßen Quantencomputer noch an Grenzen. Ein Forschungsteam der ETH Zürich hat nun einen neuen Ansatz entwickelt: mechanische Schwingungen statt elektromagnetische Speicher. Der neuartige „schwingende“ Arbeitsspeicher verspricht, auf kleinerem Raum deutlich mehr Information speichern zu können.

„Dieser Computer funktioniert fast wie eine Gitarre“, beschreibt die ETH Zürich den neuen Ansatz. Die Quantenphysikerin Yiwen Chu ihr Team nutzen an der ETH Zürich winzige Schwingungen, um Information zu speichern und zu verarbeiten. Diese verhalten sich ähnlich wie die Schwingungen von Saiten, die auf einer Gitarre die Töne erzeugen.

Was wie Musik klingt, ist in Wirklichkeit Quantenphysik. Die Schwingungen, mit denen Chu und ihr Team arbeiten, kann niemand hören: Sie spielen sich tief im Innern eines Quantenchips ab und dienen dazu, Quanteninformation abzuspeichern.

Gebraucht werden diese Schwingungen, damit Chus Quantencomputer seine Berechnungen möglichst effizient ausführen und dafür flexibel auf einen Arbeitsspeicher zurückgreifen kann. „Wie Recheneinheit und Arbeitsspeicher zusammenspielen, schafft eine entscheidende Grundlage dafür, um Quantencomputer als leistungsfähiges und zuverlässiges Werkzeug für solche Berechnungen zu etablieren, die mit herkömmlichen Computern nicht möglich sind“, sagt Yiwen Chu.

Die Physikprofessorin forscht über Quanteninformation und Quantenrechnerarchitekturen. Kürzlich haben ihr Team und sie im Wissenschaftsmagazin „Science“ einen neuen Ansatz vorgestellt, der das eigentliche Rechnen deutlich stärker vom Arbeitsspeicher trennt als viele bisherige Quantencomputermodelle, die Rechnen und Speichern eng miteinander verknüpfen.

Quanten-Arbeitsspeicher nach digitalem Vorbild

Dazu hat Chu mit ihrem Team eine neue Quantenrechnerarchitektur entwickelt, die sich bewusst an klassischen digitalen Computern orientiert: In diesen verarbeitet eine zentrale Recheneinheit – der Prozessor (CPU) – die Daten, die separat in einem Arbeitsspeicher (RAM) abgelegt sind. Die Rechnerarchitektur legt fest, wie die einzelnen Bauteile eines Computers angeordnet sind, um die Daten möglichst effizient zu verarbeiten.

In Chus Ansatz übernimmt ein sogenanntes supraleitendes Qubit die Rolle der zentralen Rechen‑ und Steuereinheit, die beim digitalen Computer der Prozessor (CPU) ausübt. Zugleich wird die zu verarbeitende Information in einem Quantenspeicher zwischengespeichert, sodass sie während der Berechnung verfügbar ist. „In unserem Quanten‑Arbeitsspeicher wird die Information jedoch nicht – wie heute zumeist üblich – elektromagnetisch gespeichert, sondern in Form mechanischer Schwingungen“, sagt Chu.

Um eine Berechnung auszuführen, greift das Qubit jeweils auf eine Information – also auf eine Schwingung! – im Quantenspeicher zu, verarbeitet und verändert sie und speichert sie anschliessend wieder dort ab. „Konkret enthält unser Quantenchip sogenannte mechanische Resonatoren. Das sind winzige Bauteile, die beim Speichern zu schwingen beginnen“, sagt Chu.

Jede Schwingung speichert eine Information

Wie die Saiten einer Gitarre, die je nach Schwingung andere Töne erzeugen, können auch die Resonatoren auf sehr viele verschiedene Arten schwingen – in der Physik spricht man hier von Schwingungsmodi. In der Sprache der Informatik entsprechen diese Modi der Anzahl verfügbarer Speicherplätze. Heißt: Jede Art von Schwingung speichert eine andere Information.

Innerhalb der Schwingungsmodi lassen sich wiederum unterschiedliche Schwingungszustände realisieren. Gemeint ist damit der jeweils konkrete Zustand einer Schwingung, in dem die Information so gespeichert ist, dass sie sich flexibel abrufen und wieder ablegen lässt.

Informationstheoretisch entsprechen diese Zustände dem jeweiligen Inhalt der Speicherplätze. Quantenphysikalisch stellen diese Zustände jedoch den entscheidenden Unterschied zur Gitarre dar – und auch zum digitalen Computer: Die Schwingungen einer Saite folgen den Regeln der klassischen Physik, die unsere Alltagswelt beschreibt. Im Quantenchip dagegen gelten die Gesetze der Quantenmechanik, die erklärt, wie sich die Welt der kleinsten Teilchen verhält. Dort können sich Zustände gleichzeitig überlagern und miteinander verschränken – ein solches Sowohl-als-auch kennt die klassische Physik nicht. Auch digitale Computer arbeiten nur mit zwei klar getrennten Zuständen: 0 oder 1.

Diese Möglichkeit, Zustände zu überlagern oder zu verschränken, eröffnen dem Quantenrechnen zusätzliche Wege der Berechnung. Das grosse Versprechen von Quantencomputern ist daher, dass sie dereinst bestimmte besonders komplexe Aufgaben effizienter lösen als klassische Rechner – oder dass sie sogar Aufgaben lösen, an denen klassische Computer scheitern.

Mehr Schwingungen, mehr Speicher

Damit Quantencomputer zuverlässig rechnen und speichern können, müssen Forschende diese Zustände gezielt steuern und verändern. Das gelingt, wenn Recheneinheit und Arbeitsspeicher gut miteinander gekoppelt sind.

Bei Chu funktioniert das so: Die Resonatoren bewahren die jeweilige Information in einem bestimmten Schwingungszustand auf. Wenn das Qubit eine Information aus dem Quanten-Arbeitsspeicher abruft, bearbeitet und verändert es diesen Schwingungszustand und speichert ihn danach wieder ab.

Bisher kombinierten viele Quantencomputermodelle elektromagnetische Speicher mit supraleitenden Qubits, da beide – für sich und im Zusammenspiel – gut erforscht sind und sich bewährt haben. Mit elektromagnetischen Speichertechnologien lassen sich Quantenzustände sehr präzise auslesen, verändern und kontrollieren. Ihr Nachteil: Sie sind vergleichsweise groß und brauchen viel Platz – das dürfte die Weiterentwicklung der experimentellen Laborgeräte zu marktfähigen Quantencomputern für Forschung und Industrie erschweren. Hier setzt Chu an.

Mechanische Resonatoren sind demgegenüber deutlich kleiner und kompakter. Zudem verfügen sie über eine grössere Speicherkapazität, weil sie viele unterschiedliche Schwingungsmodi umfassen und damit mehr Information gleichzeitig speichern können als elektromagnetische Speicher. Zusätzlich halten sie die Quantenzustände länger stabil, ohne dass die Schwingung nachlässt und Information verloren geht. Das verlängert die Speicherzeit.

Neuartige Rechnerarchitektur besteht Stresstest

In ihrer im Fachblatt Science veröffentlichten Studie hat Chu nun erstmals experimentell gezeigt, dass sich mechanische Resonatoren gut mit supraleitenden Qubits koppeln und kombinieren lassen, um Berechnungen auszuführen. Dafür liefert sie einen Machbarkeitsnachweis: Schwingende Arbeitsspeicher können eine aussichtsreiche Alternative zu elektromagnetischen Ansätzen sein.

Ob sich ihr Ansatz durchsetzt, hängt nun davon ab, wie gut er sich skalieren lässt. Der neu konzipierte Quantenchip muss auch in grösseren Quantencomputing-Systemen mit erweiterten Rechenmöglichkeiten zuverlässig funktionieren. Daran forscht Chus Team nun weiter. Einen prinzipiellen Nachweis hat das Team bereits in der publizierten Studie erbracht: Ihr Ansatz, Qubits und Resonatoren in eine neue Rechnerarchitektur einzubetten, bewältigt nicht nur einfache Rechenaufgaben, sondern auch anspruchsvollere.

Die Forschungsgruppe hat die Rechenfähigkeit ihres Ansatzes unter anderem an zwei Schlüsselproblemen getestet, die zu den wichtigsten Rechenmethoden des Quantenrechnens zählen: der Quanten‑Fourier‑Transformation und dem Finden von Perioden.

„Die Quanten-Fourier-Transformation ist ein grundlegendes Rechenverfahren, das für viele Quantenalgorithmen benötigt wird. Der von uns implementierte Algorithmus zur Periodenbestimmung zeigt, wie sich dieses Verfahren einsetzen lässt“, erklärt Igor Kladaric, Doktorand in Chus Team und Mitautor der Publikation.

Beide Methoden erfordern ein Quantenrechnersystem, das viele Quantenzustände gleichzeitig präzise steuern, speichern und zuverlässig miteinander verknüpfen kann. Gelingt das, gilt ein Quantencomputer als grundsätzlich rechenfähig – und genau das schafft Chus Ansatz.

Chus Quantencomputing‑System beherrscht alle grundlegenden Rechenschritte, die es braucht, um prinzipiell jede beliebige Quantenberechnung ausführen zu können. Damit zeigt das Team, dass sich sein Ansatz grundsätzlich als allgemein einsetzbarer und programmierbarer Quantenrechner eignet.

Noch ist der Weg weit zu einem ausreichend leistungsfähigen und zuverlässigen Quantencomputer, der sich in Forschung und Wirtschaft einsetzen lässt. Doch Chus Ansatz weist in eine vielversprechende Richtung auf diesem Weg.(sg)

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