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Quantencomputer kann Münzen rascher prüfen

Zweimal Kopf oder zweimal Zahl mühelos erkannt / Rechnen mit Quantenbits

Von Rainer Scharf

Ein leistungsfähiger Computer, der konsequent die Gesetze der Quantenphysik ausnutzt, wäre herkömmlichen Elektronenrechnern weit überlegen. Statt mit Bits aus Nullen und Einsen zu rechnen, kann er Quantenbits - quantenmechanische Überlagerungen von Nullen und Einsen - verarbeiten und auf diese Weise viele Rechnungen gleichzeitig ausführen. Noch steckt die Entwicklung eines solchen Quantencomputers in den Anfängen. Doch bei einem quantenmechanischen Experiment an der Universität Innsbruck ist es gelungen, ein mathematisches Problem in einem Rechenschritt zu lösen, für das ein normaler Computer mindestens zwei Schritte benötigt.

Die Aufgabe bestand darin, die Werte zweier Bits zu ermitteln und miteinander zu vergleichen. Eine ähnliche Aufgabe hat der Schiedsrichter beim Münzwurf vor einem Fußballspiel: Er muß zunächst überprüfen, ob er nicht eine gezinkte Münze in Händen hält, die auf beiden Seiten "Kopf" oder "Zahl" zeigt. Dazu betrachtet er zunächst die Ober- und dann die Unterseite der Münze. Zeigt eine Seite "Kopf", so hat sie den Bitwert "1", bei "Zahl" hat sie den Wert "0". Wenn die beiden Bitwerte übereinstimmen, ist die Münze nicht in Ordnung. Hat man einen Quantencomputer zur Verfügung, so reicht gewissermaßen ein einziger Blick auf die Münze aus, sie zu überprüfen.

Der Quantencomputer, den Rainer Blatt und seine Mitarbeiter gebaut haben, bestand aus einem einzelnen Kalziumion, das in einer Ionenfalle von einem elektromagnetischen Feld festgehalten wurde ("Nature", Bd. 421, S. 48). Mit gepulsten Laserstrahlen, deren Frequenz und Dauer präzise abgestimmt waren, konnten die Forscher das Ion zu einem ausgewählten Quantenzustand anregen. Je nachdem, ob sie das Ion angeregt hatten oder nicht, trug es ein Quantenbit mit dem Wert "1" oder "0". Das Ion bewegte sich in der Falle zunächst kaum, da es auf außerordentlich tiefe Temperaturen gekühlt worden war. Durch die Laserpulse konnte man es jedoch nach Wunsch in Schwingungen versetzen. Dann trug das Ion ein zweites Quantenbit, das den Wert "1" oder "0" hatte - je nachdem, ob das Ion in Ruhe war oder sich bewegte.

Mit einer weiteren Folge von Laserpulsen konnten die Forscher herausfinden, ob die Werte der beiden Quantenbits übereinstimmten oder nicht. Wenn sie unterschiedliche Werte hatten, brachten die Laserpulse das Ion in einen besonderen Zustand, dessen Vorliegen die Forscher registrieren konnten. Dies geschah in einem Schritt für beide Quantenbits zugleich. Der Preis dafür war, daß sich nicht feststellen ließ, welchen Wert ein bestimmtes Quantenbit nun tatsächlich hatte. Die Wissenschaftler wiederholten das Experiment einige tausendmal sowohl für übereinstimmende als auch für unterschiedliche Werte der beiden Quantenbits. In jedem Fall ließ sich eindeutig feststellen, ob sich diese unterschieden oder nicht.

Für einen leistungsfähigen Quantencomputer müßte man indes Hunderte von Quantenbits verarbeiten können, bevor die in ihnen gespeicherte Information durch störende Umwelteinflüsse ausgelöscht würde. In stehenden Lichtwellen kann man schon heute eine große Zahl von Atomen voneinander isoliert festhalten, so daß sich ihre Quantenbits nicht unkontrolliert beeinflussen können. Mit Laserpulsen könnte man sie verarbeiten und zwischen den Atomen austauschen. Auf diese Weise wird es vielleicht einmal möglich sein, einen Quantencomputer aus einem Hauch von Licht und Atomen herzustellen, dessen Leistungsfähigkeit die von handfesten Elektronenrechnern weit hinter sich läßt. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 08.01.2003, Nr. 6 / Seite N1

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