Forschung für Quantencomputing
ETH Zürich entwickelt schwingenden Quantenspeicher
Forschende der ETH Zürich haben einen Quantenchip entwickelt, der Information als mechanische Schwingung speichert. Der Ansatz trennt Recheneinheit und Arbeitsspeicher stärker und soll Quantencomputer flexibler machen.
Der neue Quantenchip der ETH-Physikerin Yiwen Chu enthält sogenannte mechanische Resonatoren – winzige Bauteile, die beim Speichern von Informationen zu schwingen beginnen. Der Chip ist rund 7,5 Millimeter lang, 2,5 Millimeter breit und 1 Millimeter hoch und etwa so breit wie ein kleiner Fingernagel.
Hybrid Quantum Systems Group / ETH Zürich
Forschende der ETH Zürich haben einen neuen Ansatz für das Quantencomputing vorgestellt. Der Quantenchip nutzt mechanische Resonatoren als Arbeitsspeicher. Diese winzigen Bauteile beginnen beim Speichern von Information zu schwingen. Dadurch lässt sich auf kleinem Raum deutlich mehr Information ablegen als mit vielen bisherigen Speicheransätzen.
Entwickelt wurde der Chip im Team der ETH Physikerin Yiwen Chu. Die Architektur verbindet erstmals schwingende Speicher mit supraleitenden Qubits, die als zentrale Rechen und Steuereinheiten dienen. Der Chip ist rund 7,5 Millimeter lang, 2,5 Millimeter breit und 1 Millimeter hoch. Damit ist er ungefähr so breit wie ein kleiner Fingernagel.
Warum Quantencomputer besseren Speicher brauchen
Quantencomputer stoßen beim Speichern von Information noch an Grenzen. Viele Ansätze verknüpfen Rechnen und Speichern eng miteinander. Das erschwert flexible Berechnungen und begrenzt die nutzbare Speicherkapazität.
Der Ansatz der ETH Zürich orientiert sich stärker an klassischen Computerarchitekturen. Dort verarbeitet ein Prozessor Daten, die separat in einem Arbeitsspeicher abgelegt sind. Übertragen auf den Quantenchip übernimmt ein supraleitendes Qubit die Rolle der zentralen Recheneinheit. Die zu verarbeitende Information liegt in einem separaten Quantenspeicher bereit.
Wie mechanische Resonatoren Information speichern
Der neue Quantenspeicher arbeitet nicht mit elektromagnetischen Speicherzuständen, sondern mit mechanischen Schwingungen. Dafür enthält der Chip mechanische Resonatoren. Sie können auf verschiedene Arten schwingen. Jede dieser Schwingungsarten entspricht einem Speicherplatz.
Innerhalb dieser Schwingungsarten lassen sich unterschiedliche Zustände erzeugen. Sie bilden den eigentlichen Inhalt des Speichers. Im Unterschied zu einem klassischen Speicher gelten dabei die Regeln der Quantenmechanik. Zustände können sich überlagern und miteinander verschränken. Genau diese Eigenschaften machen Quantenberechnungen grundsätzlich leistungsfähig, stellen die Hardware aber zugleich vor hohe Anforderungen.
Was die Architektur für Quantencomputer bringt
Bei einer Berechnung greift das Qubit auf den Quantenspeicher zu, verarbeitet die dort abgelegte Information und legt sie anschließend wieder ab. Durch diese Trennung von Recheneinheit und Arbeitsspeicher soll der Quantencomputer flexibler werden.
Das Team der ETH Zürich zeigt damit, dass grundlegende Rechenschritte und anspruchsvollere Quantenberechnungen mit der Architektur möglich sind. Der Ansatz gilt als Machbarkeitsnachweis für frei programmierbare Quantencomputer, die prinzipiell beliebige Quantenberechnungen ausführen können.
Warum der schwingende Speicher mehr Kapazität bietet
Der Vorteil mechanischer Resonatoren liegt in der Vielzahl möglicher Schwingungsarten. Während digitale Computer mit klar getrennten Zuständen arbeiten, nutzen Quantensysteme zusätzliche Freiheitsgrade. Dadurch kann ein mechanischer Quantenspeicher auf sehr kleinem Raum viele Informationen aufnehmen.
Für künftige Quantencomputer könnte das wichtig werden, weil komplexe Berechnungen nicht allein schnelle Qubits benötigen. Entscheidend ist auch, wie zuverlässig sich Zwischenzustände speichern, abrufen und weiterverarbeiten lassen. Der schwingende Arbeitsspeicher der ETH Zürich adressiert genau diesen Punkt.
