Der kompakte Quantencomputer passt in zwei 19-Zoll-Server-Racks.
Universität Innsbruck
Quantencomputer benötigen immer noch große, dedizierte Räume und komplexe Installationen, aber jetzt, in einem neuen Schritt, um die Technologie aus dem Labor zu holen, haben Forscher einen Prototyp eines Quantencomputers entwickelt, der ist kompakt genug, um in gewöhnliche Racks von Rechenzentren zu passen.
Im Rahmen eines EU-finanzierten Projekts namens AQTION hat eine Gruppe von Wissenschaftlern der Universität Innsbruck in Österreich erfolgreich einen voll funktionsfähigen Ionenfallen-Quantencomputer in zwei 19-Zoll-Server-Racks eingebaut, wie sie typischerweise in Rechenzentren auf der ganzen Welt zu finden sind. Das Gerät benötigt nur einen einzigen wandmontierten Netzstecker und ist ansonsten autark.
Der Prototyp ist eine spannende Entwicklung in einer Branche, die hauptsächlich auf laborbasierte Implementierungen angewiesen ist, in der Quantencomputer nur dank einer speziell entwickelten Infrastruktur gesteuert werden können. Die Entwicklung eines zugänglicheren Setups ist daher der Schlüssel zur Erweiterung der Reichweite der Technologie.
Aus diesem Grund hat die EU vor Kurzem AQTION ins Leben gerufen, ein 10 Millionen € teures Projekt, das darauf abzielt, einen kompakten Ionenfallen-Quantencomputer zu entwickeln, der den Industriestandards entspricht, ohne eine ultrastabile Laborumgebung für den Betrieb zu benötigen.
„Unsere Quantencomputing-Experimente füllen in der Regel 30 bis 50 Quadratmeter große Labors“, sagt Thomas Monz, AQTION-Projektkoordinator. „Wir wollten nun die hier in Innsbruck entwickelten Technologien auf kleinstem Raum unter Einhaltung industrieüblicher Standards unterbringen.“
Das neue Gerät, so das Forschungsteam, zeigt, dass Quantencomputer bald in Rechenzentren eingesetzt werden können.
Die Forscher verwendeten Ionen, bei denen es sich um einfach geladene Atome handelt, als Qubits. Quanteninformationen werden im elektronischen Zustand von Ionen kodiert, und Operationen werden mit Laserpulsen durchgeführt, die den Zustand der Teilchen verändern und kontrollieren.
Während sich der Ansatz von den bekannten supraleitenden Qubits unterscheidet, die IBM und Google in ihren Quantencomputern verwenden, gewinnen Ionenfallengeräte in der Industrie an Aufmerksamkeit. Honeywell zum Beispiel feierte letztes Jahr sein Quantendebüt mit der Trapped-Ion-Technologie.
Um in ein paar 19-Zoll-Racks zu passen, musste jeder einzelne Baustein des Quantencomputers von AQTION verkleinert werden, vom Ionenfallenprozessor bis zur Vakuumkammer. Die größte Herausforderung bestand daher darin, sicherzustellen, dass das Gerät keine Kompromisse bei der Leistung eingeht – aber die Forscher sind zuversichtlich, dass ihr Prototyp bereits vielversprechende Ergebnisse liefert.
Selbst außerhalb der kontrollierten Umgebung, die in einem Labor erreicht werden kann, war das Gerät stabil genug, um ohne Unterbrechung durch externe Störungen zu arbeiten, und die Physiker waren in der Lage, bis zu 24 Ionen einzeln zu kontrollieren und zu verschränken. Messungen zeigten, dass die Leistung und Fehlerquote des Systems auf dem Niveau von laborbasierten Implementierungen waren.
„Wir konnten zeigen, dass Kompaktheit nicht auf Kosten der Funktionalität gehen muss“, sagt Christian Marciniak, Forscher an der Universität Innsbruck.
Bis nächstes Jahr will das Team ein Gerät mit bis zu 50 einzeln steuerbaren Qubits entwickeln.
Vorerst werden die Hardware- und Softwarefunktionen des Prototyps jedoch weiter verbessert, bevor er online zur Verfügung gestellt wird. Die Forscher werden über die Cloud auf das Gerät zugreifen, um Quantenalgorithmen auf einer hardwareunabhängigen Quantencomputersprache zu testen.
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