Wenn Sie vier verschiedene Methoden zum Speichern von Daten auf einem einzelnen Atom verwenden, können Sie neuen Forschungsergebnissen zufolge mehr Quantenverarbeitungsleistung in einem bestimmten Raum unterbringen. Dieser Ansatz könnte leistungsfähigere und einfacher zu steuernde Quantencomputer ermöglichen.
Herkömmliche Computer können Informationen in der Form 0 oder 1 verarbeiten und speichern, während Quantencomputer Informationen in der Form 0 oder 1 verarbeiten und speichern und gleichzeitig die Überlagerung der beiden verarbeiten und speichern können. Mit zunehmender Anzahl von Quantenbits (Qubits) wird die Rechenleistung von Quantencomputern exponentiell zunehmen, sodass sie Probleme lösen können, die für gewöhnliche Computer zu komplex sind.
Das Problem besteht darin, dass die Manipulation dieser Qubits schwierig sein kann, insbesondere da Quantencomputer immer mehr Qubits verwenden. Doch nun haben Wissenschaftler der University of New South Wales (UNSW) in Sydney gezeigt, wie man Daten auf vier verschiedene Arten in Qubits (in diesem Fall einzelne Atome) schreibt, je nachdem, was jeweils benötigt wird.
Das Atom ist ein Element namens Antimon, das in einen Siliziumchip implantiert werden kann und eines der darin enthaltenen Siliziumatome ersetzt. Dieses schwere Atom wurde ausgewählt, weil sein Kern bereits acht unabhängige Quantenzustände enthält, die zur Kodierung von Quantendaten genutzt werden können. Darüber hinaus verfügt sein Elektron selbst über zwei Quantenzustände, wodurch sich die Gesamtzahl der Quantenzustände im Antimonatom auf 16 verdoppelt (jeder der ursprünglich acht Quantenzustände ist wiederum mit zwei Quantenzuständen des Elektrons gepaart). Die Verwendung anderer Materialien zur Schaffung eines Quantencomputers mit 16 Zuständen würde vier miteinander gekoppelte Qubits erfordern.
Der eigentliche Durchbruch in dieser Studie bestand jedoch darin, wie das Team vier verschiedene Methoden verwendete, um die Daten über die Atome zu manipulieren. Elektronen können durch oszillierende Magnetfelder gesteuert werden. Magnetresonanzverfahren, wie sie beispielsweise in MRT-Geräten zum Einsatz kommen, können den Spin von Atomkernen manipulieren. Elektrische Felder können auch zur Steuerung von Atomkernen eingesetzt werden. Schließlich kann eine Technik namens „Flip Bits“ Kerne und Elektronen mithilfe elektrischer Felder steuern.
Das Forschungsteam sagte, diese Forschung werde dazu beitragen, Quantencomputer „dichter“ zu machen und mehr Qubits auf kleinerem Raum zu enthalten.
Professor Andrea Morello, Erstautor der Studie, sagte: „Wir investieren in eine Technologie, die härter und langsamer ist, aber aus sehr guten Gründen, einer davon ist die extrem hohe Informationsdichte, die sie verarbeiten kann. 25 Millionen Atome auf einem Quadratmillimeter sind großartig, aber sie müssen einzeln gesteuert werden. Wir haben die Flexibilität, die Atome mithilfe von Magnetfeldern, elektrischen Feldern oder einer beliebigen Kombination davon zu steuern, was uns viele Optionen bei der Skalierung des Systems bietet.“
Als nächstes plant das Team, diese Atome zur Kodierung logischer Qubits zu verwenden und so letztendlich den Weg für praktischere Quantencomputer zu ebnen.
Die Forschung wurde in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.