Dieser Computer funktioniert fast wie eine Gitarre. Nur hört niemand seine Töne. Die Schwingungen, die auf dem neuen Quantenchip der ETH Zürich entstehen, spielen sich tief im Inneren des Bauteils ab. Sie dienen nicht der Musik, sondern der Speicherung von Quanteninformation.

Die ETH-Physikerin Yiwen Chu und ihr Team haben eine neue Architektur für Quantencomputer entwickelt, bei der Informationen in mechanischen Schwingungen gespeichert werden. Dazu verbinden die Forschenden sogenannte mechanische Resonatoren mit supraleitenden Qubits, den zentralen Recheneinheiten eines Quantencomputers.

Der neue Quantenchip ist klein

Der neue Quantenchip ist rund 7,5 Millimeter lang, 2,5 Millimeter breit und 1 Millimeter hoch – etwa so breit wie ein kleiner Fingernagel. In seinem Inneren befinden sich winzige Bauteile, die beim Speichern von Informationen zu schwingen beginnen.

„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 zu Quanteninformation und Quantenrechnerarchitekturen. Gemeinsam mit ihrem Team hat sie einen Ansatz vorgestellt, der das eigentliche Rechnen stärker vom Speichern trennt als viele bisherige Quantencomputermodelle.

Speicher nach dem Vorbild klassischer Computer

Die Idee orientiert sich an der Architektur herkömmlicher Computer: Dort verarbeitet eine zentrale Recheneinheit, der Prozessor (CPU), Daten, die getrennt davon im Arbeitsspeicher (RAM) liegen. Diese Trennung ermöglicht es, Informationen effizient zu verarbeiten.

Auch Chus Quantencomputer folgt diesem Prinzip. Ein supraleitendes Qubit übernimmt die Rolle der Rechen- und Steuereinheit. Die Informationen werden dagegen in einem Quantenspeicher abgelegt und stehen während der Berechnung zur Verfügung.

Der Unterschied zu bisherigen Ansätzen liegt im Speicher selbst. Während viele Quantencomputer elektromagnetische Speicher verwenden, setzt Chu auf mechanische Schwingungen.

„In unserem Quanten-Arbeitsspeicher wird die Information jedoch nicht – wie heute zumeist üblich – elektromagnetisch gespeichert, sondern in Form mechanischer Schwingungen“, sagt Chu.

Das Qubit greift auf eine gespeicherte Information zu, verarbeitet sie, verändert sie und legt sie anschließend wieder im Speicher ab.

„Konkret enthält unser Quantenchip sogenannte mechanische Resonatoren. Das sind winzige Bauteile, die beim Speichern zu schwingen beginnen“, sagt Chu.

Viele Schwingungsarten, mehr Speicherplätze

Die Funktionsweise erinnert an eine Gitarrensaite. Je nachdem, wie sie schwingt, entsteht ein anderer Ton. Auch mechanische Resonatoren können auf unterschiedliche Arten schwingen. Fachleute sprechen dabei von Schwingungsmodi.

In der Informatik entsprechen diese Modi verschiedenen Speicherplätzen. Jede Schwingungsart kann eine andere Information aufnehmen. Zusätzlich können innerhalb dieser Modi unterschiedliche Schwingungszustände entstehen – also konkrete Zustände, in denen Informationen gespeichert und wieder abgerufen werden.

Der entscheidende Unterschied zur Gitarre liegt in der Quantenphysik. Die Schwingungen einer Saite folgen den Regeln der klassischen Physik. Im Quantenchip gelten dagegen die Gesetze der Quantenmechanik. Dort können sich Zustände überlagern und miteinander verschränken.

Diese Eigenschaften unterscheiden Quantencomputer grundlegend von klassischen Rechnern. Digitale Computer arbeiten mit zwei klar getrennten Zuständen: 0 oder 1. Quantencomputer können dagegen mehrere Möglichkeiten gleichzeitig berücksichtigen. Dadurch könnten sie eines Tages bestimmte komplexe Aufgaben deutlich effizienter lösen als herkömmliche Rechner.

Mechanische Speicher sind kleiner und stabiler

Damit ein Quantencomputer zuverlässig arbeiten kann, müssen Forschende Quantenzustände präzise steuern und verändern können. Entscheidend ist dabei das Zusammenspiel zwischen Recheneinheit und Speicher.

Bei Chus Ansatz bewahren die Resonatoren Informationen in bestimmten Schwingungszuständen auf. Ruft das Qubit eine Information ab, verändert es diesen Zustand und speichert ihn anschließend wieder zurück.

Bisher wurden viele Quantencomputermodelle mit elektromagnetischen Speichern kombiniert. Diese Technologie ist gut erforscht und ermöglicht eine präzise Kontrolle von Quantenzuständen. Allerdings haben solche Speicher einen Nachteil: Sie benötigen vergleichsweise viel Platz.

Das könnte die Entwicklung von experimentellen Laborgeräten hin zu praktischen Quantencomputern für Forschung und Industrie erschweren.

Mechanische Resonatoren sind dagegen kleiner und kompakter. Sie können zudem mehr Informationen speichern, weil sie viele verschiedene Schwingungsmodi besitzen. Außerdem bleiben die gespeicherten Quantenzustände länger stabil, ohne dass die Schwingung nachlässt und Informationen verloren gehen.

Machbarkeitsnachweis für eine neue Quantenarchitektur

In ihrer Veröffentlichung zeigen Chu und ihr Team erstmals experimentell, dass sich mechanische Resonatoren mit supraleitenden Qubits verbinden und für Quantenberechnungen nutzen lassen.

Damit liefern die Forschenden einen Machbarkeitsnachweis: Ein schwingender Arbeitsspeicher könnte eine Alternative zu den bisher verwendeten elektromagnetischen Speichern sein.

Ob sich der Ansatz langfristig durchsetzen wird, hängt davon ab, ob er sich auf größere Systeme übertragen lässt. Der Quantenchip muss auch dann zuverlässig funktionieren, wenn Quantencomputer künftig deutlich mehr Rechenleistung bieten sollen.

Die Forschungsgruppe hat ihre Architektur bereits an anspruchsvolleren Aufgaben getestet. Dazu gehörten die Quanten-Fourier-Transformation und die Bestimmung von Perioden – zwei wichtige Methoden des Quantenrechnens.

„Die Quanten-Fourier-Transformation ist ein grundlegendes Rechenverfahren, das für viele Quantenalgorithmen benötigt wird. Der von uns implementierte Algorithmus zur Periodenbestimmung zeigt, wie sich dieses Verfahren einsetzen lässt“, erklärt Igor Kladaric, Doktorand in Chus Team und Mitautor der Publikation.

Beide Verfahren setzen voraus, dass ein Quantenrechner viele Quantenzustände gleichzeitig präzise speichern, steuern und miteinander verknüpfen kann. Genau diese Fähigkeit zeigt der Ansatz der ETH-Forschenden.

Ein Schritt auf dem Weg zum programmierbaren Quantencomputer

Das System von Yiwen Chu beherrscht die grundlegenden Rechenschritte, die notwendig sind, um prinzipiell jede beliebige Quantenberechnung auszuführen. Damit zeigt das Team, dass seine Architektur grundsätzlich als frei programmierbarer Quantencomputer geeignet sein könnte.

Bis zu einem leistungsfähigen und zuverlässigen Quantencomputer für Forschung und Industrie ist es allerdings noch ein weiter Weg. Der neue Ansatz aus Zürich zeigt jedoch eine mögliche Richtung: Mechanische Schwingungen könnten künftig helfen, Quantencomputer kompakter und leistungsfähiger zu machen.

Publikation:
Yang, Y., Kladarić, I., Skrabulis, M., Eichenberger, M., Marti, S., Storz, S., Esche, J., García Bellés, R., Kern, M.-E., Omahen, A., Brooks, A., Bild, M., Fadel, M., & Chu, Y. (2026). Mechanical resonator–based quantum computing. Science, 392, 972–976. DOI:10.1126/science.aef4139

Quelle: ETH Zürich