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Quantencomputer Der Rechner, der Unmögliches schafft

Viele Typen von Quantencomputern reifen in Labors heran. Große Chancen räumt man einem supraleitenden Prozessor ein. Er hat nun erstmals eine Rechenaufgabe gelöst.

© James Darling, University of California/Santa Barbara Vergrößern Blick ins Herz eines potentiellen Quantenprozessors: In der Mitte ist der wellenförmige Datenbus zu erkennen, der die vier winzigen supraleitenden Leiterschleifen - die Quantenbits - verbindet. Jeder Leiterschleife ist mit einem gewundenen Datenspeicher kontaktiert.

Obwohl die Computer immer leistungsfähiger werden und inzwischen Billiarden von Rechenoperationen in der Sekunde ausführen können, werden sie einige Rechenaufgaben wohl niemals lösen können. Dazu gehört das scheinbar einfache Problem, eine Zahl, die sich durch Multiplikation von zwei vielstelligen Primzahlen ergibt, wieder in Primfaktoren zu zerlegen. Auf der praktischen Unlösbarkeit dieser extrem rechenaufwendigen Aufgabe beruhen wichtige Verschlüsselungsverfahren. Ein Rechner, der die Gesetze der Quantenphysik nutzt, könnte dieses Problem hingegen mit Hilfe eines Verfahrens lösen, das der amerikanische Mathematiker Peter Shor 1994 erfunden hat. Jetzt haben Physiker von der University of California in Santa Barbara Shors Algorithmus erstmals auf einem Quantenprozessor mit supraleitenden Bauelementen verwirklicht. Damit haben sie einen wichtigen Meilenstein auf dem Weg zum Quantencomputer erreicht.

Schizophrenie in der Quantenphysik

Während herkömmliche Computer mit Bits rechnen, die die Werte „0“ oder „1“ haben, verarbeitet ein Quantencomputer sogenannte Quantenbits oder Qubits. Ähnlich wie Schrödingers Katze, die gleichzeitig tot und lebendig ist, kann ein Qubit die Quantenzustände „0“ und „1“ gleichzeitig einnehmen. Diese quantenphysikalische Schizophrenie würde sich gewaltig potenzieren, wenn ein Quantencomputer Millionen von Qubits speichern und verarbeiten könnte. Er verhielte sich dabei wie eine unvorstellbar große Zahl parallel arbeitender Elektronenrechner. Präsentiert der Quantencomputer jedoch sein Rechenergebnis, so hat die Parallelität ein Ende, da das Resultat wie das einer herkömmlichen Computerrechnung aus Bits besteht. Aus diesem Grunde kommen die Stärken des Quantencomputers nur bei der Lösung bestimmter Aufgaben zum Zuge wie der Primfaktorzerlegung oder der Suche in einer großen Datenbank.

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Flüssiger Quantencomputer

Es gibt zahlreiche Ansätze, einen Quantencomputer zu verwirklichen. Sie unterscheiden sich vor allem darin, wie die Qubits gespeichert werden. Im Jahr 2001 hatten Forscher vom IBM Almaden Research Center in San Jose sieben Quantenbits in Atomkernen gespeichert, deren Kernspins jeweils in zwei verschiedene Richtungen gleichzeitig zeigten. Mit dem Verfahren der Kernspinresonanz gelang es ihnen, unter Verwendung von Shors Algorithmus die Zahl 15 in die Primfaktoren 3 und 5 zu zerlegen. Als man mit Kernspins eine größere Zahl von Quantenbits verarbeiten wollte, gab es jedoch grundlegende technische und physikalische Schwierigkeiten.

Atome und Photonen als Quantenbits

Andere Wissenschaftler versuchen Qubits möglichst lange in den Quantenzuständen von Lichtteilchen oder Photonen, von Atomen oder von eigens hergestellten mikroskopischen Schaltkreisen zu speichern. Dabei tritt allerdings die Schwierigkeit auf, dass die äußerst empfindlichen Quantenzustände von den störenden Umwelteinflüssen abgeschirmt werden müssen, da sonst die in ihnen gespeicherten Quantenbits verlorengehen. Keine leichte Aufgabe, denn es muss zugleich möglich sein, die Quantenzustände gezielt zu beeinflussen, wenn man die Quantenbits verarbeiten will.

Rechnen mit isolierten Ionen

Diese widersprüchlichen Anforderungen lassen sich am besten mit elektrisch geladenen Atomen erfüllen, die in Ionenfallen festgehalten werden. Indem man die isolierten Ionen gezielt mit Laserlicht oder Mikrowellen anregt, sie paarweise zusammenführt und miteinander wechselwirken lässt und sie schließlich mit Laserlicht zum Leuchten bringt, werden die Qubits gespeichert, verarbeitet und ausgelesen. Auf diese Weise haben Forscher um Rainer Blatt von der Universität Innsbruck und auch Dave Wineland und seine Kollegen vom National Institute of Standards and Technology in Boulder bereits Rechenoperationen mit Qubits erfolgreich ausgeführt.

Quantencomputer: Natur und Wissenschaft, Physik und Chemie © Universität Innsbruck Vergrößern Illustration eines Quantencomputers aus acht gespeicherten Ionen (rot).

Will man aber einen Quantencomputer bauen, der aus Tausenden von miteinander verschalteten Prozessoren besteht, so ist es sinnvoll, für die Herstellung die Fertigungsverfahren zu nutzen, wie sie beim Bau von herkömmlichen Computern verwendet werden. Diesen Weg haben John Martinis und seine Kollegen von der University of California in Santa Barbara bei der Herstellung ihrer Quantenprozessoren eingeschlagen.

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