Konzepte für den Quanten-Computer

Mit Quantenzuständen rechnen – eine faszinierende Idee, die noch einen weiten Weg bis zur Praxis vor sich hat. Einen Schritt dorthin leistet ein von dem Physiker Alexander Zorin aus dem Fachbereich Quantenelektronik der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) entwickeltes Konzept, welches auf einem neuartigen Bauelement basiert. Das Konzept sieht vor, die logische Grundeinheit, das Quanten-Bit (Qubit), auf einem supraleitenden Ring zu lokalisieren. Das Besondere: Das Qubit, so die Vorhersage, wäre störunanfällig und sein Zustand ließe sich leicht auslesen. Nach der Theorie folgt nun im nächsten Schritt die experimentelle Umsetzung.

Quantencomputer wollen ausnutzen, dass in der Quantenwelt die klassische Logik ausgeschaltet ist: Während ein klassisches Bit entweder den Wert Null oder den Wert Eins besitzt, befindet sich ein Qubit in einer kohärenten Überlagerung beider Zustände. Rechenschritte, die im klassischen Fall sequentiell erfolgen müssen, könnte ein Quantencomputer, dank der Qubits, in einer einzigen Operation ausführen. Spezielle Aufgaben, wie das Faktorisieren großer Zahlen in Primzahlen, wären überhaupt erst auf diese Weise lösbar.

Das neu konzipierte Bauelement fußt auf Erfahrungen und Erkenntnissen, die in der PTB bei der Entwicklung von Quantennormalen für die elektrischen Einheiten gewonnen wurden. Es besteht aus einem supraleitenden Ring mit zwei eng benachbarten Josephson-Tunnelbarrieren von weniger als 0,01 µm2 Fläche. Der Ring ist der Träger des Qubits. Die Theorie sagt besondere Eigenschaften dieses Qubits voraus: eine geringe Anfälligkeit gegenüber elektrischen Störeinflüssen sowie die Möglichkeit, den Zustand über einen angekoppelten Schwingkreis nahezu verlustfrei auszulesen.

Originalveröffentlichung zu diesem Thema: A.B. Zorin, Physica C 368, 284 (2002)

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Inhalt PTBnews 02.2:
- Kalibrierung großer Koordinatenmessgeräte
- Erste Telekalibrierung eines Hochdruck-Gaszählers
- Charakterisierung von Grenzflächen mit Röntgenstreuung
- Konzepte für den Quantencomputer
- Anforderungen an Kältezähler
- Neuer Tieftemperatur-Fixpunkt
- Helmholtz-Preis 2003