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Quantencomputer : Hier hilft die Quantenwelt beim Rechnen

Blick ins Innere des Quantencomputers: Zu sehen ist die Teilchenfalle, in der fünf Ionen in der Schwebe gehalten werden. Bild: Hantanu Debnath/ Emily Edwards

Der Quantencomputer werden immer leistungsfähiger. Amerikanische Forscher haben nun eine frei programmierbare Rechenmaschine gebaut. Sie basiert auf fünf Ionen, die.in einer Teilchenfalle gefangen sind.

          Der Computer der Zukunft rechnet nicht mehr mit klassischen Bits und Bytes, sondern mit Quantenbits. Die quantenmechanischen Informationseinheiten können nicht nur binäre „Nullen“ und „Einsen“ annehmen, sondern auch unendlich viele Zwischenzustände - und das simultan. Hinzu kommt, dass wenn man Quantenbits miteinander verschränkt, sich eine an einem Qubit vorgenommene Rechenoperation sofort auf die anderen Informationsträger auswirkt. Die Überlagerung und die Verschränkung von Zuständen machen den Quantencomputer so überlegen gegenüber seinem klassischen Pendant, weil komplexe mathematische Aufgaben in Windeseile parallel gelöst werden können. Noch ist offen, auf welchen Quantensystemen der Rechner der Zukunft beruhen wird.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Die verschiedenen Ansätze, die man verfolgt, unterscheiden sich vor allem darin, wie die Quantenbits gespeichert werden. Als Träger kommen Moleküle in einer Lösung oder Photonen, die Quanten des Lichts oder Stickstoffatome im Diamant in Frage, aber auch Elektronen, die durch halbleitende oder supraleitende Festkörper geschickt werden. Als vielversprechendes Medium gelten auch extrem kalte einfach geladene Ionen, wie sie etwa die Forscher um Christopher Monroe von der University of Maryland in College Park favorisieren.

          Programmieren mit abgestimmten Laserpulsen

          Kürzlich ist es Monroe und seinen Kollegen gelungen, mit fünf Ytterbium-Ionen, die sie in einer länglichen Teilchenfalle isolierten, einen programmierbaren Quantencomputer zu verwirklichen, der eine Reihe verschiedener logischer Operationen ausführen kann. Jedes Ytterbium-Ion speichert exakt ein Quantenbit. Dabei repräsentieren zwei atomare Energieniveaus die binären Zustände „Eins“ und „Null“. Mit abgestimmten Laserpulsen lässt sich jedes Teilchen gezielt ansprechen und dessen Quantenbit in einen Überlagerungszustand bringen. Sind alle Ionen miteinander verschränkt, etwa indem man sie in mechanische Schwingungen versetzt hat, überträgt sich die Quanteninformation eines adressierten Teilchens auf die übrigen vier.

          Die Ionenkette arbeitet auf diese Weise gewissermaßen wie ein paralleles Bussystem. Um mit den Ionen verschiedene logische Rechenoperationen auszuführen, strahlen die Forscher eine Sequenz von Laserpulsen ein („Nature“, Bd. 536, S. 63). Einmal programmiert, läuft die Rechenoperation automatisch ab. Ein Eingriff ist nicht notwendig. Anhand des Fluoreszenzlichts, das die Teilchen kurz darauf abstrahlen, können Monroe und seine Kollegen erkennen, ob eine Operation erfolgreich ausgeführt wurde oder nicht. Die Fehlerrate liegt bisweilen unter fünf Prozent.

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