Quantencomputer Der Rechner, der Unmögliches schafft

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.

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.

Makroskopische Quantenzustände

Auf dem fingernagelgroßen Chip werden die Qubits in winzigen Schlaufen aus Aluminiumdraht gespeichert, die auf weniger als ein Grad über dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden. Bei dieser Temperatur wird Aluminium supraleitend, so dass der elektrische Strom in ihm widerstandslos fließt. Dabei schließen sich die Leitungselektronen zu sogenannten Cooper-Paaren zusammen. Diese bilden „kollektive“ Quantenzustände, an denen jeweils viele Millionen Elektronenpaare beteiligt sind. Indem die Forscher eine Schlaufe mit einem abgestimmten Mikrowellenpuls bestrahlen, können sie die Cooper-Paare in zwei unterschiedliche Energiezustände befördern und damit ein Quantenbit verwirklichen. Mit weiteren Mikrowellenpulsen lässt sich das Qubit manipulieren und somit verarbeiten.

Ein Chip für Quanten

Martinis und seine Kollegen haben für ihr Experiment den Quantenprozessor mit insgesamt vier Aluminiumschlaufen ausgerüstet, die als Rechenspeicher dienten und je ein Qubit aufnehmen konnten. An jede Schlaufe war einer von vier Datenspeichern angeschlossen, in denen die Quantenbits zwischengelagert werden konnten. Die vier Rechenspeicher waren obendrein mit einem gemeinsamen „Datenbus“ verbunden, über den sie die elementaren Informationseinheiten austauschen konnten.

Damit ein Rechenspeicher sein Quantenbit an den Datenbus oder an einen Datenspeicher abgeben konnte, musste er mit diesem Bauelement in Resonanz sein. Das erreichten die Forscher dadurch, dass sie die Aluminiumschlaufe des Rechenspeichers vorübergehend mit Radiowellen bestrahlten. Daraufhin entstand in der supraleitenden Drahtschlaufe ein Photon, in dessen Quantenzustand das Qubit gespeichert war. Dieses ließ sich nun zu einem anderen Rechenspeicher oder in einen anderen Datenspeicher befördern und wieder zurückbringen.

Spukhafte Fernwirkung

Wurde die Übertragung eines Quantenbits zwischen Rechenspeicher und Datenbus auf halbem Wege abgebrochen, so teilten sich die beiden Bauelemente das Quantenbit und gerieten in einen „verschränkten“ Quantenzustand. Sorgte man dafür, dass der Datenbus sein „halbes“ Quantenbit an einen zweiten Arbeitsspeicher abgab, so war dieser nun mit dem ursprünglichen Arbeitsspeicher quantenmechanisch verschränkt. Wie Martinis und seine Kollegen in der Online-Ausgabe der Zeitschrift „Nature Physics“ (doi: 10.1038/nphys2385) berichten, war es ihnen auf diese Weise gelungen, zwei oder drei ihrer Rechenspeicher in einen verschränkten Zustand zu bringen. Solche Zustände sind für die Arbeit des Quantencomputers unentbehrlich, will man die Parallelität beim Rechnen voll ausnutzen.

Schulaufgabe für den Quantenrechner

Die Forscher demonstrierten die Leistungsfähigkeit ihres Prozessors, als sie auf Grundlage des Algorithmus von Peter Shor die Primfaktoren der Zahl 15 ermittelten. Dazu regten sie ihre Qubits gezielt mit abgestimmten Mikrowellenpulsen an, brachten sie paarweise oder zu dritt in verschränkte Zustände und führten diese Schritte einige Male aus.Da der Prozessor nicht perfekt arbeitete und bei jedem der vielen Rechenschritte des Algorithmus einen winzigen Fehler machte, war die Berechnung unzuverlässig. Deshalb wiederholten die Forscher die Kalkulationen insgesamt 150 000 Mal. Sie fanden heraus, dass ihr Prozessor in 48 Prozent aller Fälle das richtige Ergebnis lieferte: nämlich 15 = 3 × 5. Das lag bereits ziemlich nahe am theoretischen Limit. „Das Beste, was wir nach Shors Algortihmus erwarten können, sind 50 Prozent der Fälle mit der richtigen Lösung“, sagt Erik Lucero, Mitautor der Arbeit.

Die nächsten großen Schritte

Als nächsten Schritt wollen die Forscher die Lebensdauer der Qubits, die derzeit knapp eine halbe Mikrosekunde beträgt, deutlich erhöhen, indem sie den Verlust der Quanteneigenschaften des Systems durch störende Wechselwirkungen mit der Umgebung verringern. Außerdem wollen sie die Zahl der Rechen- und Datenspeicher erhöhen und damit die Leistungsfähigkeit des Quantenprozessors verbessern. Dann könne man nach Ansicht von Lucero daran denken, größere und damit für die Praxis relevantere Zahlen zu faktorisieren. Denn das Prinzip bleibt unverändert, gleichgültig ob man eine kleine oder eine große Zahl zerlegt.