Kürzlich hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Yiwen Chu, einem Physiker an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH Zürich), einen neuen Quantenchip entwickelt, der erfolgreich Informationen in Form winziger Schwingungen (d. h. von Phononen getragene Schwingungsenergiepakete) im Chip speichert. Sein Funktionsprinzip ähnelt in gewisser Weise den Resonanztönen einer Gitarre. Es wird erwartet, dass dieser Durchbruch die Art und Weise, wie zukünftige Quantencomputer gebaut werden, revolutionieren wird.
Der experimentelle Chip ist ungefähr 7,5 mm lang, 2,5 mm breit und 1 mm dick, was ungefähr der Breite eines menschlichen kleinen Fingernagels entspricht. Obwohl diese Bewegungen innerhalb hochfrequenter mikroskopischer mechanischer Resonatoren stattfinden und für das menschliche Ohr nicht hörbar sind, demonstrierte das Forscherteam erfolgreich eine neue Quantencomputerarchitektur, indem es diese winzigen Resonatoren als Arbeitsspeicher mit einem supraleitenden Quantenprozessor verband, der konzeptionell näher an der Grundstruktur liegt, die heute üblicherweise in klassischen Computern verwendet wird.
In der überwiegenden Mehrheit der vorhandenen Quantensysteme sind Berechnung und Speicherung nicht klar getrennt, und Verarbeitung und Informationsspeicherung sind oft eng in derselben Hardware integriert, was es schwierig macht, die Maschine zu skalieren, ohne sperrige Komponenten hinzuzufügen. Im Gegensatz dazu griff das Forschungsteam der ETH Zürich auf das klassische Modell des traditionellen Rechnens zurück, bei dem eine Zentraleinheit (CPU) für Berechnungen und ein Arbeitsspeicher (RAM) für die temporäre Speicherung von Daten zuständig ist. In diesem neuen Quantenarbeitsspeicher werden Informationen nicht auf dem üblichen elektromagnetischen Weg, sondern in Form mechanischer Schwingungen gespeichert.
Im realen Betrieb fungieren supraleitende Qubits als Prozessoren und Steuereinheiten, während mechanische Resonatoren Quanteninformationen bei Berechnungen bewahren. Immer wenn der Prozessor bestimmte Informationen benötigt, interagiert das supraleitende Qubit mit dem ausgewählten Schwingungsmodus und verändert seinen Quantenzustand, bevor es ihn wieder in den Speicher speichert. Diese Arbeitsteilung nutzt die Stärken beider Technologien: Supraleitende Qubits sind in der Lage, schnelle Operationen durchzuführen und das für die Quantenlogik erforderliche nichtlineare Verhalten bereitzustellen, während mechanische Resonatoren kompakt sind, mehrere unabhängige Schwingungsmodi unterstützen und Quantenzustände über längere Zeiträume aufrechterhalten.
Um diese programmierbare Quantenarchitektur zu testen, implementierten die Forscher erfolgreich zwei zentrale Rechenverfahren: die Quanten-Fourier-Transformation und den Periodenfindungsalgorithmus. Bei beiden Tests muss das System mehrere Quantenzustände vorbereiten, speichern, verbinden und präzise manipulieren und gleichzeitig Informationen zwischen dem Prozessor und verschiedenen mechanischen Speichermodi übertragen, ohne die Kohärenz zu zerstören. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass das System in der Lage ist, kontrollierte Phasenoperationen durchzuführen und gespeicherte Zustände in seinem verfügbaren Speicher zu verketten.
Obwohl sich diese Forschung noch im Proof-of-Concept-Stadium befindet und noch kein kommerzielles Gerät hervorgebracht hat, das herkömmliche Computer übertreffen kann, hat sie der Außenwelt erfolgreich bewiesen, dass vibrationsbasierter Speicher vollständig als praktische Rechenressource fungieren kann. Das Forschungsteam wies darauf hin, dass die größte Herausforderung der Zukunft in der Skalierbarkeit liegt, also in der deutlichen Steigerung der Speicherkapazität und Rechenleistung bei gleichzeitig niedrigen Fehlerraten und einer zuverlässigen Kontrolle großer Quantenzustände. Die Forschungsergebnisse wurden offiziell in der Zeitschrift Science veröffentlicht.