Qudits statt Qubits

Innsbrucker Physiker zünden Quantencomputer-Turbo

(Bild: stock.adobe.com, Krone KREATIV)

Computer arbeiten derzeit mit Bits, die zwei Zustände einnehmen können: 0 und 1. Quantencomputer nutzen dagegen Quantenbits, die diese zwei Basiszustände gleichzeitig einnehmen können, was zu einer überragenden Rechengeschwindigkeit führt. Doch Quantensysteme können viel mehr Zustände besitzen - und die machen nun Innsbrucker Physiker für Rechenoperationen zugänglich.

Information in Null und Eins zu speichern, ist zwar nicht unbedingt die effizienteste Art zu rechnen, aber die einfachste, und damit oft auch verlässlich und wenig fehleranfällig. So ist die binäre Informationsverarbeitung heutzutage der unumstrittene Standard.

Das gilt auch für bisherige Realisierungen von Quantencomputern. Dort wird nur mit den beiden Basiszuständen eines Quantensystems gearbeitet, die aber nicht nur 0 oder 1, sondern beide Zustände gleichzeitig einnehmen können („Superposition“). Damit ist aber auch jedes in einem Quantensystem realisierte Quantenbit (Qubit) nur ein binäres System.

Martin Ringbauer

(Bild: Uni Innsbruck)

„Die physikalischen Bausteine des Quantencomputers können allerdings deutlich mehr als nur Null und Eins“, erklärt der Experimentalphysiker Martin Ringbauer von der Universität Innsbruck. Die Einschränkung auf binäre Systeme nehme diesen Computern viel von ihrem echten Potenzial.

Die Innsbrucker Quantencomputer etwa arbeiten mit gespeicherten Kalziumionen. Diese können acht Zustände einnehmen, gerechnet wurde bisher aber nur mit zwei davon. „Statt nur zwei auszuwählen, um daraus ein Qubit zu konstruieren, konnten wir zeigen, dass wir die volle Kontrolle über alle acht Zustände haben. Damit kann man eine neue Art Quantencomputer realisieren, der nicht auf Qubits, sondern auf Qudits basiert“,so Ringbauer. „Qudit“ steht für „quantum digit“.

Dreimal mehr Informationen speicherbar
Ein solcher Quantencomputer rechnet also mit 0,1,2,3,4,5,6,7 und beliebigen Kombinationen davon. „Er besitzt weiterhin alle Eigenschaften von gewöhnlichen, auf Qubits basierenden Quantencomputern, kann aber dreimal so viel Information pro Ion speichern“, betont der Physiker. Die Forscher konnten auch zeigen, dass der neue Quantencomputer genauso verlässlich arbeitet, wie einer mit nur Null und Eins.

Die Physiker verweisen darauf, dass viele der Aufgaben, wofür Quantencomputer benötigt werden, etwa in der Physik oder Chemie, auf natürliche Weise in dieser Qudit-Sprache formuliert seien. „Unser Quantencomputer nutzt damit nicht nur die Hardware optimal aus, sondern ist auch ideal auf viele Anwendungen zugeschnitten“, erläutert Ringbauer.

Dem Physiker wurde vergangene Woche ein „Starting Grant“ des Europäischen Forschungsrats zuerkannt. Die mit rund 1,5 Millionen Euro dotierte Förderung ist die höchste Auszeichnung für erfolgreiche Nachwuchswissenschaftler in Europa. Er will damit genau auf dem Gebiet von Quantencomputern, die mit mehr als Null und Eins arbeiten, weiter forschen.