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Veröffentlicht: 06.07.2014, 12:00 Uhr

Perfekter Quantencomputer Keine Chance dem Fehlerteufel

Auch Quantenrechner sind nicht perfekt. Sie brauchen wie ihre klassischen Pendants ein System, das Fehler erkennt und ausmerzt. Forscher aus Innsbruck zeigen, wie das gehen könnte.

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© Uni Innsbruck Vakuumapparatur mit Ionenfalle

Nicht nur uns Menschen unterlaufen regelmäßig Fehler. Sogar die leistungsfähigsten Computer - Paradebeispiele für Genauigkeit und Zuverlässigkeit - sind vor Irrtümern nicht gefeit. Gemeint sind nicht Störungen, die auf Programmierfehlern oder auf defekten Mikrochips beruhen, sondern Fehler, die bei der Übertragung und Verarbeitung von digitalen Daten entstehen und deshalb unvermeidlich sind. Deshalb sind klassische Rechner normalerweise mit Algorithmen ausgestattet, die jeden Rechenprozess kontrollieren und gegebenenfalls sofort korrigieren.

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An solchen Fehlerkorrekturverfahren sind auch die Erbauer von Quantencomputern in höchstem Maße interessiert. Denn diese Automaten, die zum Rechnen die Prinzipien der Quantenphysik nutzen und deshalb bestimmte mathematische Aufgaben deutlich schneller ausführen können als ihre klassisches Pendants, arbeiten mit einzelnen Photonen, Ionen oder Atomen - also fragilen Quantensystemen, die bei geringsten Störungen nicht mehr einwandfrei funktionieren. Doch die klassischen Verfahren sind für einen Quantenrechner nicht geeignet.

Der Traum von der Perfektion 

Physiker von der Universität Innsbruck haben nun aufgezeigt, wie sich Datenfehler bei einem Quantencomputer schnell aufdecken und ausmerzen lassen. Sie bedienen sich dabei der Fähigkeit von Quanten, mit anderen Quanten eine innige Beziehung eingehen zu können und dadurch sofort zu spüren, wenn mit dem Partner irgendetwas nicht „in Ordnung“ ist.

Dass Computer nicht fehlerfrei rechnen, kann viele Ursachen haben: Entladungen oder Kratzer auf Datenträgern sowie thermisches oder elektronisches Rauschen. Mit modernen mathematischen Verfahren ist es möglich, dieses Dilemma zu beheben. Die Daten werden mehrfach kopiert und auf identische Art und Weise verarbeitet. Tritt ein Fehler auf, lässt sich die richtige Lösung durch einen Vergleich mit den übrigen Resultaten leicht aufspüren: Das wahrscheinlichste - weil häufigste - Ergebnis wird als das richtige angesehen und vom Rechner verwendet.

Kopieren unmöglich

Allerdings funktioniert die klassische Fehlerkorrektur bei einem Quantencomputer nicht. Denn quantenmechanische Daten können grundsätzlich nicht kopiert werden, ohne die Originaldaten unwiederbringlich zu zerstören. Deshalb ist es auch nicht möglich, Zwischenergebnisse zu speichern und diese zur Fehlerkorrektur zu verwenden. Ein leistungsfähiges Korrekturverfahren ist jedoch eine wichtige Voraussetzung für jeden funktionierenden Quantencomputer.

Die Überlegenheit des Quantencomputers gegenüber seinem klassischen Pendant beruht darauf, dass außer den beiden binären Zuständen „0“ und „1“ noch beliebig viele quantenmechanische Zwischenzustände verarbeitet werden. Diese Quantenbits (Qubits) können durch bestimmte Energiezustände in Atomen oder die Orientierung von Spins in geladenen Teilchen repräsentiert werden oder durch die Richtung, in der elektrische Ströme in supraleitenden Leiterbahnen umlaufen. Da ein künftiger Quantencomputer mehrere Qubits verarbeitet, kann er viele Rechenoperationen gleichzeitig ausführen. Dadurch ist er in der Lage, große Datenbanken in kürzerer Zeit zu durchforsten oder verschlüsselte Daten deutlich rascher zu codieren und zu decodieren als der schnellste Siliziumrechner.

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