Rechenmaschine aus Kristallen, Strahlleitern, Filtern und Photonen
13. April 2005 Sucht man in einem Telefonbuch den zu einer Nummer passenden Teilnehmer, bleibt einem nichts anderes übrig, als alle Einträge der Reihe nach durchzusehen. Dabei wächst allerdings die für die Suche benötigte Zeit in gleichem Maße an wie die Zahl der zu überprüfenden Einträge. Das gilt auch, wenn man einen herkömmlichen Computer verwendet. Die Suche in einer ungeordneten Liste geht jedoch wesentlich schneller, wenn man die Prinzipien der Quantenphysik nutzt, wie vor neun Jahren Lov Grover von den Bell Labs in Murray Hill zeigte. Jetzt ist es einer deutsch-österreichischen Forschergruppe gelungen, den Suchalgorithmus von Grover mit einem Quantencomputer zu verwirklichen.
Die Hardware der Rechenmaschine ist recht ungewöhnlich. Sie besteht aus einzelnen Photonen eines Laserstrahls. Mit optischen Kristallen, Strahlteilern und Filtern werden die Lichtteilchen so miteinander verschränkt, daß sie sich auch über große Distanzen wie ein einheitliches Quantensystem verhalten. Mißt man den Zustand eines Photons, dann verändern sich sofort auch die Eigenschaften der anderen Photonen.
Einweg-Quantencomputer
Eine Informationseinheit, ein sogenanntes Quantenbits, wird durch den Polarisationszustand eines Photons repräsentiert. Dieser kann sowohl die binären Werte Eins und Null als auch alle möglichen Zwischenwerte annehmen. Dank quantenmechanischer Überlagerung und Verschränkung der Qubits wird es möglich, eine Vielzahl von Rechenschritten gleichzeitig auszuführen.
Statt von unabhängigen Qubits auszugehen, die nacheinander verschränkt werden, wie es bei anderen Quantencomputern üblich ist, erzeugen die Forscher um Anton Zeilinger von der Universität Wien gleich zu Anfang vier verschränkte Photonen auf einmal. Die eigentliche Rechnung erfolgt dadurch, daß man an den einzelnen Qubits nacheinander Messungen vornimmt. Ist durch eine Messung der Zustand eines Photons einmal festgelegt, wird es automatisch aus dem verschränkten Verband der übrigen Lichtteilchen ausgeschlossen. Diese reagieren nun und verändern ihrerseits ihre Zustände, was Einfluß auf die weiteren Rechenschritte hat. Weil jedes Mal die Zahl der verbleibenden Photonen schrumpft, spricht man auch von einem Einweg-Quantencomputer.
Die Forscher stellten ihrem Quantencomputer nun eine einfache Aufgabe: Suche aus einer ungeordneten Liste von vier Bits, in der drei den Wert Null haben, dasjenige mit dem Wert Eins heraus. Wie Zeilinger und seine Kollegen in der Zeitschrift "Nature" (Bd.434, S.169) berichten, lieferte der Quantencomputer schon nach nur einem Rechenschritt das richtige Ergebnis - so, wie es Lov Grover vor neun Jahren vorausgesagt hatte. Ein herkömmlicher Rechner hätte im Mittel mindestens zwei Bits der Liste überprüfen müssen. Will man größere Listen durchforsten, braucht man freilich mehr als vier verschränkte Qubits. Zeilinger und seine Kollegen experimentieren deshalb schon mit sechs und mehr Photonen. Allerdings wächst damit auch der technische Aufwand.
Text: F.A.Z., 13.04.2005, Nr. 85 / Seite N1
Bildmaterial: Universität Wien
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