Multifunktionale Quantenbits aus Karlsruhe für die Supercomputer der Zukunft

Epoch Times29. Oktober 2018 Aktualisiert: 28. Oktober 2018 10:45
Damit Supercomputer noch schneller werden, wollen Forscher des KIT ihnen das Multitasking beibringen. Mit Quantenbits, die mehr als nur "0" und "1" kennen, könnten viele Rechenprozesse gleichzeitig ablaufen und die Rechenleistung um ein Vielfaches gesteigert werden.

Während herkömmliche Computer einen Rechenschritt nach dem anderen ausführen, könnten zukünftige Supercomputer dank multifunktionalen Quantenbits viele Rechenschritte parallel vornehmen. Damit sollen sie im Vergleich zu klassischen Computern bestimmte Aufgaben wesentlich effizienter lösen. Große Datenmengen ließen sich so viel schneller verarbeiten.

Dabei ist die Mikrostruktur bestimmter Materialien und Elemente der Quantenbits von elementarer Bedeutung. Mit Materialien für solche multifunktionalen Quantenbits beschäftigen sich Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). Ihr Projekt „Scalable Rare Earth Ion Quantum Computing Nodes“ (SQUARE) fördert die Europäische Kommission mit drei Millionen Euro.

Einzelne Systeme „nicht größer als ein Atom“

Im kleinsten Speicherbaustein des Quantencomputerchips, dem Quantenbit oder Qubit, gibt es im Unterschied zum klassischen Computerchip nicht nur binäre Informationen – 0 oder 1, aus oder an –  sondern auch Werte dazwischen, die quantenmechanischen Überlagerungszustände. Damit soll die Rechenleistung eines Quantencomputers deutlich erhöht werden, denn mithilfe dieser Quanteneigenschaften können viele Rechenprozesse gleichzeitig ablaufen.

„Ein vielversprechender Ansatz für die kommende Generation von Quantencomputern beruht auf Materialien, bei denen einzelne Systeme nicht größer als ein Atom sind und deren Quanteneigenschaften optisch zugänglich und kontrollierbar sind“, erläutert Professor David Hunger vom Physikalischen Institut des KIT, der das Projekt SQUARE koordiniert.

In diesem Kontext zeigen Seltenerd-Ionen (Rare Earth Ions), elektrisch geladene Atome von Metallen der Seltenen Erden, ein herausragendes Potenzial. Die Ionen können Quantenzustände besonders lange speichern und lassen sich in speziellen Festkörperkristallen durch Licht einzeln ansprechen. Dies macht eine große Anzahl von Ionen als Qubits zugänglich.

„Seltenerd-Ionen verfügen durch ihre besondere elektronische Struktur über ihre eigene Abschirmung gegenüber Störfeldern“, legt Hunger dar. Weiter sagte er: „Zudem können sie untereinander in starke Wechselwirkung treten, was eine wichtige Grundlage für die Realisierung von Quantenschaltkreisen ist.“

Darüber hinaus können die Quanteneigenschaften direkt durch Licht ausgelesen und Quantenzustände auf Photonen übertragen werden. Dies wiederum ermöglicht die Vernetzung entfernter Quantenknoten und dadurch die Quantenkommunikation.

Eine Milliarde Euro zur Erforschung von Quantentechnologien

Die Forschung an einzelnen Seltenerd-Ionen ist noch in einem frühen Stadium, aber „das Projekt verfolgt eine sehr vielversprechende Plattform, die viele Vorteile gegenüber etablierten Ansätzen, wie zum Beispiel in Vakuumapparaten gefangenen Ionen und supraleitenden Quantenschaltkreisen, bieten kann“, so David Hunger weiter.

Das Ziel von SQUARE ist es, einzeln adressierbare Seltenerd-Ionen als Grundbaustein für skalierbare Quantentechnologien zu etablieren. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Demonstration der Funktionselemente eines optisch auslesbaren Mehrqubit-Quantenregisters, sowie auf der Realisierung der Bausteine eines Quantennetzwerks. Dadurch soll künftig eine enorme Steigerung der Rechenleistung in Quantencomputern möglich sein. Zusammen mit Industriepartnern sollen die zentralen technologischen Komponenten entwickelt werden, die für eine skalierbare Implementierung erforderlich sind.

Die Europäische Kommission fördert SQUARE im Rahmen des Quanten-Flaggschiffs („Quantum Technology Flagship“). Über einen Zeitraum von zehn Jahren sollen in diesem Kontext rund eine Milliarde Euro in die Erforschung von Quantentechnologien investiert werden. Einerseits soll damit die Entwicklung neuartiger Technologien basierend auf elementaren Quanteneffekten beschleunigt werden, andererseits wird gleichzeitig eine engere Einbeziehung der Industrie angestrebt, um die Entwicklungen schneller zur Anwendungs- und Marktreife zu bringen.

Das Projekt SQUARE ist im Segment Grundlagenforschung des Flaggschiffs angesiedelt. Die EU fördert es für vorerst drei Jahre mit drei Millionen Euro. Es umfasst ein Konsortium von sechs internationalen wissenschaftlichen Gruppen aus Aarhus (Dänemark), Lund (Schweden), Barcelona (Spanien), Paris (Frankreich), Stuttgart und Karlsruhe sowie den zwei Technologiefirmen THALES (Frankreich) und attocube (Deutschland).

Mögen Sie unsere Artikel?
Unterstützen Sie EPOCH TIMES
HIER SPENDEN
Themen
Newsticker
Kommentieren
Werte Leserinnen und Leser,
Ihre Kommentare sind uns willkommen, bitte lesen Sie vorher die Netiquette HIER.
Die Kommentare durchlaufen eine stichprobenartige Moderation.
Beiträge können gelöscht oder Teilnehmer können gesperrt werden.
Bitte bleiben Sie respektvoll und sachlich.

Ihre Epoch Times-Redaktion