Den Forschern Severin Daiss und Stefan Langenfeld ist es mit weiteren Kollegen des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik gelungen, zwei Qubits in verschiedenen Laboren zu einem verteilten Quantencomputer zusammenzuschalten. Dafür verbanden sie die Qubits über ein 60 m langes Glasfaserkabel. Der Aufbau stellt den weltweit ersten Prototyp eines verteilt rechnenden Quantencomputers dar.
Grenzen aktueller Quanten-Archtitekturen
Damit ein Quantencomputer weit komplexere Operationen als ein normaler Rechner durchführen kann, muss er viele tausende Qubits für ebenfalls viele tausend Quantenoperationen zuverlässig zusammenschalten. Trotz großer Erfolge sind Labore vom Bau eines solchen großen Quantencomputers noch weit entfernt: Denn mit jedem zusätzlich benötigten Qubit wird es deutlich schwieriger, einen Quantencomputer in einem einzelnen technischen Aufbau zu realisieren.
Das liegt mitunter daran, dass die Qubits mit einzelnen Atomen, supraleitenden Elementen oder Lichtteilchen konstruiert sind, die alle perfekt von der Außenwelt und voneinander abgeschottet sein müssen. Je mehr von ihnen dicht beieinanderliegen, desto schwieriger wird es, sie gleichzeitig abzuschotten und von außen zu kontrollieren.
Unterschied zu bisherigen Verschränkungen
Einen Weg, diese technischen Hindernisse beim Bau von Quantencomputern zu überwinden, zeigen nun Daiss, Langenfeld und Kollegen aus der Arbeitsgruppe von Gerhard Rempe. In ihrer vom spanischen Institute of Photonic Sciences unterstützten Arbeit gelang es, zwei separate Qubit-Module über eine Entfernung von 60 m so miteinander zu koppeln, dass sie wie ein elementarer Quantencomputer mit zwei Qubits wirkten.
„Über diesen Abstand führen wir eine quantenmechanische Rechenoperation zwischen zwei eigenständigen Qubit-Setups in verschiedenen Laborräumen durch“, erklärt Daiss. Das ermöglicht es, kleinere Quantencomputer zu einem gemeinsamen Rechner zusammenzuschalten.
Entfernte Qubits zu verkoppeln, also quantenmechanisch miteinander zu verschränken, war dabei schon früher gelungen. Neu ist jetzt, dass die Verbindung auch für Berechnungen dienen kann. Dazu nutzen die Wissenschaftler Module bestehend aus einem einzelnen Atom, das als Qubit inmitten zweier Spiegel positioniert ist. Zwischen diesen Modulen senden sie ein einzelnes Lichtteilchen, das in der Glasfaser transportiert wird. Dieses Photon wird mit den quantenmechanischen Zuständen der Qubits in den verbundenen Modulen nacheinander verschränkt.
Anschließend wird der Zustand eines der beiden Qubits abhängig vom gemessenen Zustand dieses Hilfsphotons verändert, wodurch die quantenlogische Gatter-Operation mit einer Zuverlässigkeit von über 80 Prozent durchgeführt werden kann. Ein nächster Entwicklungsschritt wäre es, mehr als zwei Module miteinander zu verknüpfen und mehr Qubits in den einzelnen Modulen unterzubringen.
Leistungsfähigere Quantencomputer
Studienleiter und Abteilungsdirektor Rempe sieht in dem Ergebnis eine gute Chance, die Technologie weiter voranzutreiben. „Mit unserem Schema eröffnen wir dem verteilten Quantencomputing einen neuen möglichen Entwicklungspfad“, sagt er. So ließe sich beispielsweise ein verteilter Quantencomputer aus vielen Modulen mit wenigen Qubits aufbauen, die mit der beschriebenen Technik verbunden werden.
Ein solcher Ansatz könnte die Limitierung bisheriger Quantencomputer, mehr Qubits in einem einzelnen Aufbau unterzubringen, komplett umgehen und letztlich zu leistungsstärkeren Systemen führen.
