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Beschleunigte Quantenrechnung

Dank MAGIC-Verfahren rechnet ein „kleiner“ Quantencomputer an der Uni Siegen mit dreifacher Geschwindigkeit.

Er ist ein Mythos und wird es wohl noch einige Zeit bleiben: der universelle Quantencomputer. Weil er weitere Zustände als nur die binären „0“ und „1“ nutzt, kann er komplexe Berechnungen schneller und mit größeren Zahlen durchführen als bisherige Computer. Ein universeller Quantencomputer, der wissenschaftlich geprüft und wirklich einsetzbar ist, existiert nicht. Es gibt aber bereits Quantencomputer im Kleinen. Forscher*innen an der Uni Siegen haben solch einen kleinen Quantencomputer konstruiert, der einen wichtigen Algorithmus drei Mal schneller berechnet als mit bisher üblichen Verfahren.

Schneller dank MAGIC

Der kleine Siegener Quantencomputer besitzt drei Qubits. Ein Qubit ist die Informationseinheit der Quantenmechanik, vergleichbar mit dem Bit in der Informatik. Die Siegener Qubits bestehen aus geladenen Teilchen, aus Ionen, die die Forscher*innen in einer speziellen Ionen-Falle einfangen, um sie für Quantenprozesse zu nutzen. Die Siegener Ionen-Falle basiert auf dem eigens entwickelten MAGIC-Verfahren. MAGIC steht für „Magnetic Gradient Induced Coupling”. Die Fallensteller*innen beschießen die Ionen mit Strahlen aus dem Radiofrequenz-Bereich, dadurch erreichen die Ionen ein anderes Energieniveau. Zusätzlich werden die Ionen „verschränkt“, sie treten in eine bestimmte Wechselbeziehung zueinander. Die Verschränkung ist bislang nur in der mikroskopisch kleinen Quantenwelt zu finden und kann mit der klassischen Physik nicht beschrieben werden. Dank der Verschränkung können die Forscher*innen Ionen-Qubits für komplexe Rechenaufgaben nutzen.

Veröffentlichung in Science Advances

Während andere Ionen-Fallen die Ionen mittels Laserlicht einfangen, ist es dank der MAGIC-Falle gelungen, die Quanten-Fouriertransformation, einen wichtigen Algorithmus in der Quantenmechanik, drei Mal schneller zu implementieren als mit bisher üblichen Methoden. Die beteiligten Forscher*innen Christian Piltz (Siegen), Theerapot Sriarunothai (Siegen), Svetoslav S. Ivanov (Sofia), Sabine Wölk (Siegen) und Christof Wunderlich (Siegen) haben ihre erfolgreiche Methode in der renommierten Zeitschrift Science Advances veröffentlicht. „Wir gehen davon aus, dass mit einer größeren Anzahl Qubits der Geschwindigkeitsvorteil noch wesentlich größer ausfallen wird“, sagt Prof. Dr. Christof Wunderlich, Inhaber des Lehrstuhls für Quantenoptik an der Universität Siegen.

Und wann wird aus dem kleinen ein universeller Quantencomputer? „Wir haben in der Physik schon sehr gut funktionierende Quantencomputer. Diese kleinen Quantencomputer verbessern wir stetig, machen sie schneller und größer, um irgendwann das langfristige Ziel eines universellen Quantencomputers zu erreichen“, sagt Wunderlich.