Die ETH‑Physikerin Yiwen Chu und ihr Team haben einen neuen Ansatz fürs Quantencomputing entwickelt. Dieser verbindet erstmals schwingende Speicher – mechanische Resonatoren – mit den zentralen Recheneinheiten, supraleitenden Qubits.

Die Rechnerarchitektur unterscheidet sich von bisherigen Ansätzen im Quantenrechnen: Die Information wird in einem Arbeitsspeicher in Form von Schwingungen abgelegt. Dieser schwingende Arbeitsspeicher kann auf kleinerem Raum deutlich mehr Information speichern, als bisherige Speicher.

Zudem konnten Chu und ihr Team zeigen, dass ihr Ansatz grundlegende Rechenschritte und anspruchsvollere Quantenberechnungen gut umsetzt. Sie haben damit einen Machbarkeitsnachweis erbracht und Grundlagen geschaffen für einen frei programmierbaren Quantencomputer, der im Prinzip jede beliebige Quantenberechnung ausführen kann.

Dieser Computer funktioniert fast wie eine Gitarre. Die Quantenphysikerin Yiwen Chu und ihr Team nutzen winzige Schwingungen, um Information zu speichern und zu verarbeiten. Diese verhalten sich ähnlich wie die Schwingungen von Saiten, die auf einer Gitarre die Töne erzeugen.

Was wie Musik klingt, ist in Wirklichkeit Quantenphysik. Die Schwingungen, mit denen Chu und ihr Team arbeiten, kann niemand hören: Sie spielen sich tief im Innern eines Quantenchips ab und dienen dazu, Quanteninformation abzuspeichern.

Gebraucht werden diese Schwingungen, damit Chus Quantencomputer seine Berechnungen möglichst effizient ausführen und dafür flexibel auf einen Arbeitsspeicher zurückgreifen kann. "Wie Recheneinheit und Arbeitsspeicher zusammenspielen, schafft eine entscheidende Grundlage dafür, um Quantencomputer als leistungsfähiges und zuverlässiges Werkzeug für solche Berechnungen zu etablieren, die mit herkömmlichen Computern nicht möglich sind", sagt Yiwen Chu.

Die Physikprofessorin forscht über Quanteninformation und Quantenrechnerarchitekturen. Kürzlich haben ihr Team und sie im Wissenschaftsmagazin 'Science' einen neuen Ansatz vorgestellt, der das eigentliche Rechnen deutlich stärker vom Arbeitsspeicher trennt als viele bisherige Quantencomputermodelle, die Rechnen und Speichern eng miteinander verknüpfen.

Dazu hat Chu mit ihrem Team eine neue Quantenrechnerarchitektur entwickelt, die sich bewusst an klassischen digitalen Computern orientiert: In diesen verarbeitet eine zentrale Recheneinheit, der Prozessor (CPU), die Daten, die separat in einem Arbeitsspeicher (RAM) abgelegt sind. Die Rechnerarchitektur legt fest, wie die einzelnen Bauteile eines Computers angeordnet sind, um die Daten möglichst effizient zu verarbeiten.

In Chus Ansatz übernimmt ein supraleitendes Qubit die Rolle der zentralen Rechen‑ und Steuereinheit, die beim digitalen Computer der Prozessor (CPU) ausübt. Zugleich wird die zu verarbeitende Information in einem Quantenspeicher zwischengespeichert, sodass sie während der Berechnung verfügbar ist.

Um eine Berechnung auszuführen, greift das Qubit jeweils auf eine Information – also auf eine Schwingung – im Quantenspeicher zu, verarbeitet und verändert sie und speichert sie anschliessend wieder dort ab. "Konkret enthält unser Quantenchip mechanische Resonatoren. Das sind winzige Bauteile, die beim Speichern zu schwingen beginnen", sagt Chu.

Wie die Saiten einer Gitarre, die je nach Schwingung andere Töne erzeugen, können auch die Resonatoren auf sehr viele verschiedene Arten schwingen – Physiker und Physikerinnen sprechen hier von Schwingungsmodi. In der Sprache der Informatik entsprechen diese Modi der Anzahl verfügbarer Speicherplätze. Heisst: Jede Art von Schwingung speichert eine andere Information.

Innerhalb der Schwingungsmodi lassen sich wiederum unterschiedliche Schwingungszustände realisieren. Gemeint ist damit der jeweils konkrete Zustand einer Schwingung, in dem die Information so gespeichert ist, dass sie sich flexibel abrufen und wieder ablegen lässt.

Informationstheoretisch entsprechen diese Zustände dem jeweiligen Inhalt der Speicherplätze. Quantenphysikalisch stellen diese Zustände jedoch den entscheidenden Unterschied zur Gitarre dar – und auch zum digitalen Computer: Die Schwingungen einer Saite folgen den Regeln der klassischen Physik, die unsere Alltagswelt beschreibt. Im Quantenchip dagegen gelten die Gesetze der Quantenmechanik, die erklärt, wie sich die Welt der kleinsten Teilchen verhält.

Dort können sich Zustände gleichzeitig überlagern und miteinander verschränken – ein solches Sowohl-als-auch kennt die klassische Physik nicht. Digitale Computer arbeiten nur mit zwei klar getrennten Zuständen: 0 oder 1.

Bisher kombinierten viele Quantencomputermodelle elektromagnetische Speicher mit supraleitenden Qubits, da beide – für sich und im Zusammenspiel – gut erforscht sind und sich bewährt haben. Mit elektromagnetischen Speichertechnologien lassen sich Quantenzustände sehr präzise auslesen, verändern und kontrollieren.

Ihr Nachteil: Sie sind vergleichsweise gross und brauchen viel Platz – das dürfte die Weiterentwicklung der experimentellen Laborgeräte zu marktfähigen Quantencomputern für Forschung und Industrie erschweren. Hier setzt Chu an.

Mechanische Resonatoren sind demgegenüber deutlich kleiner und kompakter. Zudem verfügen sie über eine grössere Speicherkapazität, weil sie viele unterschiedliche Schwingungsmodi umfassen und damit mehr Information gleichzeitig speichern können als elektromagnetische Speicher. Zusätzlich halten sie die Quantenzustände länger stabil, ohne dass die Schwingung nachlässt und Information verloren geht. Das verlängert die Speicherzeit.