Von Quantencomputern und –simulatoren

Während ein normaler Computer eine Rechenoperation nach der anderen abarbeiten muss, kann ein Quantencomputer schon mit einem einzigen Quantenbit alle möglichen Ergebnisse einer Aufgabe auf einmal speichern. Denn das Quantenbit nimmt einfach alle möglichen Zustände gleichzeitig ein. Ein Quantencomputer kann dadurch in einem sehr kleinen System viel mehr Zahlen abspeichern als ein klassischer Computer.

Spermium - Erfolgsmodell seit 600 Millionen Jahren? © gemeinfrei

„Er ist jedoch aus technischen Gründen und zum Teil auch aus physikalischen Gründen sehr schwer zu realisieren“, erklärt Gerhard Rempe, Forscher am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching. „Es gibt aber andere Entwicklungen, wie zum Beispiel Quantensimulatoren. Dabei handelt es sich um einen Computer, der nur für ganz spezielle Zwecke entwickelt wird. Deswegen sind die Anforderungen an ihn auch nicht ganz so hoch wie an einen universellen Quantencomputer.“ So ist das Auslesen beispielsweise bei diesen Systemen leichter als bei einem universellen Quantencomputer.

Eine geheimnisvolle Verknüpfung

Und noch ein seltsames Phänomen gibt es in der Quantenwelt: die Verschränkung. Sie bewirkt, dass der Zustand eines Quantenbits automatisch den eines anderen beeinflusst – und dies scheinbar ohne physikalische Verbindung und über große Entfernungen hinweg. Dadurch können zwei verschränkte Photonen sogar zwei Nullen und zwei Einsen auf einmal kodieren und in diesen beiden Kanälen auch rechnen. Ein System aus tausend Qubits könnte damit die unvorstellbare Menge von zehn hoch 300 Zahlen speichern..

Doch auch in einem solchen System gibt es ein Problem, sobald wir genauer wissen wollen, in welchem Zustand sich eines der beiden Teilchen nun tatsächlich befindet: Sobald ein Physiker die Ausrichtung eines der beiden verschränkten Photonen misst, legt sich dieses beispielsweise auf eine Polarisierungsrichtung – links oder rechts – fest. Das andere Photon, weil verschränkt, wird damit automatisch ebenfalls auf einen Zustand festgelegt.

Und genau das ist auch das Problem bei der Entwicklung der Quantencomputer: Denn erste einfache Quantensysteme aus zwei, drei oder fünf Quantenbits gibt es inzwischen bereits. Die Ergebnisse ihrer Berechnungen können auch ausgelesen werden, aber das System der Überlagerungen ist damit beendet. Ein Teil Teil der Information geht damit verloren.

Das Prinzip eines CNOT-Gate: Das 2. Qubit wird nur dann umgewandelt, wenn das 1.Qubit auf "1" steht. Es dient damit als Kontroll-Bit und erlaubt so auch nach dem Prozess Rückschlüsse auf den vorherigen Zustand des 2. Qubits. © N. Podbregar

Der „Trick“ mit dem CNOT-Gate

Doch inzwischen gibt es hier Fortschritte: Im Juni 2007 berichteten niederländische Wissenschaftler im Magazin „Nature“ über eine Rechenoperation mit zwei Quantenbits, die einen Rückschluss auf die verloren gegangene Information erlaubt. Diese „kontrollierte-NICHT“-Kalkulation (CNOT-Gate) ändert den Zustand eines Quantenbits von Eins zu Null und umgekehrt, wenn ein zweites Kontroll-Quantenbit auf Eins steht. Steht dieses dagegen auf Null, ändert sich auch das erste Quantenbit nicht.

Der Vorteil dieser auf den ersten Blick trivial erscheinenden Operation: Aus dem Zustand des ersten Quantenbits kann auf das zweite geschlossen werden, ohne es direkt messen zu müssen und damit seinen Quantenzustand zu stören. „Man braucht etwas wie ein CNOT-Gate um jeden beliebigen Quantenalgorithmus durchführen zu können“, erklärt Hans Mooij von der TU Delft. Als nächsten Schritt wollen die Forscher ihr System nun auf mehrere Quantenbits ausdehnen – keine ganz leichte Aufgabe. „Man muss um jeden Schritt kämpfen, aber es bewegt sich“, so Mooijs Einschätzung der Entwicklung.

Stand: 16.11.2007