Quantencomputer Generalprobe für flinke Rechner

Einen besseren Ort als das Museum für Computergeschichte im kalifornischen Städtchen Mountain View im Herzen des Silicon Valley hätte Herb Martin für sein Vorhaben kaum wählen können. Wo vor fünfzig Jahren der Siegeszug der Siliziumelektronik begann, präsentierte der Chef der kanadischen Firma D-Wave-Systems Anfang dieser Woche eine Weltneuheit in der Computertechnik: den ersten von der Industrie gefertigten Quantencomputer, der obendrein die stattliche Zahl von sechzehn Quantenbits - die quantenmechanische Informationseinheit - verarbeiten kann. Der Rechenautomat, der deutlich leistungsfähiger ist als bisherige Prototypen, könnte sich für die Computerhirne auf Siliziumbasis bald zur ernsten Konkurrenz entwickeln.

In die Entwicklung eines leistungsfähigen Quantencomputers sind hohe Erwartungen gesetzt. Schließlich soll er Berechnungen ausführen können, die für herkömmliche Computer viel zu umfangreich sind. Dazu zählen die Zerlegung großer Zahlen in ihre Primfaktoren oder das schnelle Durchforsten umfangreicher Datenbanken sowie die Simulation quantenphysikalischer Systeme.

Die Überlegenheit des Quantencomputers gegenüber seinem klassischen Pendant beruht darauf, dass er außer normalen Bits noch beliebig viele quantenmechanische Überlagerungszustände von Nullen und Einsen gleichzeitig verarbeiten kann. Diese Qubits können die Spins von Atomen, Ionen und Elektronen oder die Polarisationszustände von Photonen sein. Als besonders aussichtsreiche Kandidaten für Qubits gelten elektrische Schaltkreise, die in supraleitende Mikrochips integriert sind, wie sie von D-Wave-Systems entwickelt wurden.

Strom aus Milliarden von Cooper-Paaren

Auf den ersten Blick erinnert der fingernagelgroße Mikrochip aus British Columbia an ein gewöhnliches Siliziumbauteil. Die zentralen Elemente sind sechzehn Leiterschleifen aus Niob. Kühlt man den Chip mit flüssigem Helium bis nahe an den absoluten Nullpunkt, schließen sich je zwei Leitungselektronen zu sogenannten Cooper-Paaren zusammen, die dann ohne jegliche Reibung durch die Leiterbahnen fließen. Wenn man nun ein Magnetfeld anlegt, setzt sich ein elektrischer Strom aus Milliarden von Cooper-Paaren in Gang.

Dabei strömen die Ladungsträger gleichzeitig im und entgegen dem Uhrzeigersinn durch die Leiterbahnen, wodurch ein Quantenzustand mit zwei Einstellungen entsteht. Dabei entspricht der Stromfluss gegen den Uhrzeigersinn dem Zustand „0“ und der Stromfluss im Uhrzeigersinn dem Zustand „1“. Die Niobdrähte sind zudem über Kontaktstellen miteinander verbunden, was die Kopplung der supraleitenden Ströme ermöglicht und damit eine Überlagerung der sechzehn Quantenbits bewirkt.

Zustand geringster Energie

Der Betrieb des Quantenrechners erfordert einen enormen technischen Aufwand. Neben der teuren Kühlung mit flüssigem Helium bedarf es einer empfindlichen Filterelektronik, die jegliches Rauschen unterbindet und Störsignale eliminiert. Denn unerwünschte Umwelteinflüsse würden die fragilen Quantenzustände in den supraleitenden Spulen rasch zerstören und damit die Funktionsfähigkeit des Quantenrechners beeinträchtigen.

Für eine Rechenoperation muss der Quantencomputer zunächst entsprechend programmiert werden. Dazu versetzt man jede Leiterschleife mit dem darin fließenden Strom in einen ihrer beiden Zustände (0 oder 1), bis man die gewünschte Bitfolge erhält, die dem jeweiligen Problem entspricht.

Dann wird das System sich selbst überlassen und gewartet, bis es den Zustand geringster Energie erreicht. Während der klassische Computer alle möglichen Bitmuster der Reihe nach abarbeiten würde, verarbeitet sie der Quantencomputer parallel. Liest man nun die einzelnen Quantenbits in den Leiterschleifen nacheinander aus, erhält man die Lösung - etwa einer speziellen Optimierungsaufgabe.

Simulation von Aktienkursen

Der supraleitende Mikrochip sei besonders dazu geeignet, komplexe Aufgaben zu erledigen, die ein hohes Maß an parallelem Rechnen verlangen und sich normalerweise nur näherungsweise berechnen lassen, sagte Herb Martin in Mountain View. Solche Voraussetzungen finden sich in der kombinatorischen Mathematik oder bei der Berechnung komplexer Vielteilchensysteme, aber auch in der Finanzwirtschaft bei der Simulation von Aktienkursen. Als kleine Demonstration ließ Martin den supraleitenden Quantenchip eine Datenbank mit Tausenden von Molekülen nach einem bestimmten Eintrag durchsuchen.

Der Quantenrechner hat die Aufgabe mit seinen sechzehn Qubits zwar auch nicht schneller erledigt als ein handelsüblicher PC. Das soll sich aber bald ändern. D-Wave-Systems will bereits im kommenden Jahr einen supraleitenden Mikrochip präsentieren, der mit tausend gekoppelten Qubits arbeiten soll. Damit könnte dem Quantencomputer endlich der seit langem ersehnte Durchbruch gelingen.