12.01.2005 · Amerikanische Wissenschaftler haben nun einen Weg gefunden, wie man Quantencomputer künftig deutlich robuster gegenüber Störungen machen kann.
Von Manfred LindingerNicht nur uns Menschen unterlaufen so manche Fehler. Auch modernste Computer- und Kommunikationssysteme sind vor Irrtümern nicht gefeit. Gemeint sind nicht Störungen, die etwa auf Unzulänglichkeiten von Programmen oder auf defekte Mikrochips zurückgehen, sondern Fehler, die bei der Übertragung und Verarbeitung von digitalen Daten entstehen und deshalb häufig unvermeidlich sind. Deshalb sind klassische Rechner normalerweise mit Algorithmen ausgestattet, die die Prozesse kontrollieren und gegebenenfalls korrigieren. Auch die Pioniere des Quantencomputing sind an solchen Fehlerkorrekturverfahren interessiert, arbeiten sie doch mit einzelnen Ionen oder Atomen - also extrem fragilen Systemen, die bei geringsten Störungen nicht mehr funktionieren. Wissenschaftler vom National Institute of Standards and Technology in Boulder (Colorado) haben nun einen Weg gefunden, wie man Quantencomputer künftig deutlich robuster gegenüber Störungen machen kann.
Die Fehler bei der Übertragung oder Verarbeitung digitaler Informationen können viele Ursachen haben. Dazu zählen Entladungen oder Kratzer auf Datenträgern sowie thermisches oder elektronisches Rauschen. Solche Einflüsse beeinträchtigen den Transfer schwacher Signale mitunter stark. Mit modernen mathematischen Verfahren ist es jedoch möglich, dieses Dilemma zu beheben. Beispielsweise sind die Daten auf einer CD so kodiert, daß sich die etwa durch Staub und Kratzer verursachten Lesefehler herausfiltern lassen. Diese Art von Fehlerkorrektur bedingt allerdings, daß die zu verarbeitenden Informationen bekannt sind. Eine Voraussetzung, die für den Quantencomputer nicht zu erfüllen ist, weil durch jede Messung die quantenmechanische Information sofort verlorengeht, was den weiteren Rechenvorgang verhindert. Deshalb ist es auch nicht möglich, Zwischenergebnisse zu speichern und diese zur Fehlerkorrektur zu verwenden. Ein leistungsfähiges Korrekturverfahren ist jedoch eine wichtige Voraussetzung für einen funktionierenden Quantencomputer, also einen Automaten, der konsequent die Prinzipien der Quantenphysik nutzt und deshalb bestimmte mathematische Aufgaben deutlich effizienter und damit schneller lösen kann als herkömmliche Rechner.
Beliebig viele Zwischenzustände
Die Überlegenheit des Quantencomputers gegenüber seinem klassischen Pendant beruht darauf, daß außer den beiden binären Zuständen "Null" und "Eins" noch beliebig viele quantenmechanische Zwischenzustände verarbeitet werden. Diese Qubits können die Besetzung bestimmter Energiezustände oder die Spins von Ionen sein. Der Quantenrechner der Forscher aus Boulder besteht beispielsweise aus drei Qubits in Gestalt von drei Berylliumionen, die in einer Teilchenfalle mit elektromagnetischen Feldern festgehalten werden. Mit gepulsten Laserstrahlen lassen sich die Quantenzustände der Teilchen gezielt anregen und damit manipulieren, so daß logische Operationen ausgeführt werden können.
Gefahr droht den drei Qubits durch elektromagnetische Streufelder, Temperaturschwankungen oder kleinste Erschütterungen der Ionenfalle. Die Folge sind Störungen der quantenmechanischen Zustände und der in ihnen gespeicherten Informationen, wodurch sich Rechenfehler einschleichen können. Seit einigen Jahren weiß man, daß sich diese im nachhinein korrigieren lassen. Die Verwirklichung erwies sich jedoch als äußerst schwierig. Dietrich Leibfried und seine Kollegen haben nun ein effizientes Korrekturverfahren für ihren Quantencomputer ersonnen.
Aufwendige Fehlerkorrektur
Die Forscher brachten die drei Berylliumionen zunächst in einen verschränkten Zustand, so daß sich die Qubits wie ein einheitliches System verhielten. Der Gesamtzustand des Dreierbundes war zwar bekannt, der Zustand jedes einzelnen Ions blieb aber ungewiß - solange er nicht gemessen wurde. Wurde nur ein Teilchen einer Messung unterzogen, übertrug sich das Ergebnis augenblicklich auf die übrigen Ionen. Diese Eigenschaft hat die Arbeitsgruppe in Boulder für ihre Zwecke genutzt.
Die Forscher erzeugten zur Demonstration einen Fehler, indem sie mit einem gezielten Laserpuls den Zustand eines Teilchens störten. Dann trennten sie das Ion von seinen Partnern, die schließlich einer Messung unterworfen wurden. Dabei zerstörte man zwar deren Verschränkung, bekam aber im Gegenzug Informationen darüber, ob die ursprüngliche Störung den Zustand des ersten Ions tatsächlich verändert hatte oder nicht. Nun konnte es bei Bedarf mit einem gezielten Laserschuß wieder in den korrekten Zustand versetzt werden, und der vermeintliche Fehler war dadurch korrigiert ("Nature", Bd. 432, S. 602).
Der Aufwand für die Kontrolle eines einzelnen Qubits scheint gewaltig. Nach Ansicht der Forscher ist es jedoch der effektivste Weg, eine Fehlerkorrektur auch bei Quantencomputern vorzunehmen, die aus einigen Dutzend Qubits bestehen. Künftig sollen damit zudem längere Rechenzeiten als bisher möglich sein.
