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Der Quantencomputer nimmt Gestalt an

Längere Speicherzeiten und bessere Datenverarbeitung mit supraleitendem Mikrochip

Von Rainer Scharf

Vor fast 70 Jahren ließ Erwin Schrödinger seine inzwischen sprichwörtlich gewordene Katze aus dem Sack. Das arme Tier wird durch einen perfiden Mechanismus in einen quantenmechanischen Zustand befördert, in dem es zugleich tot und lebendig ist. Schrödinger wollte mit seinem Gedankenexperiment auf die "burlesken" Konsequenzen hinweisen, die eine unmittelbare Übertragung quantenmechanischer Gesetze von der Atomphysik auf unsere alltägliche Erfahrungswelt hat. Das Schicksal, das Schrödingers Katze erleidet, erregt noch immer die Gemüter. Was für die einen der Inbegriff rätselhafter Quantenphysik ist, halten andere für restlos geklärt. Doch inzwischen ist Schrödingers Katze zu neuem Leben erwacht - als supraleitender Mikrochip, der vielleicht einmal in einem Quantencomputer seine Arbeit verrichten wird.

Der Chip, den es in zwei verschiedenen Ausführungen gibt, sieht zunächst nicht so aus, wie man sich eine Schrödinger-Katze vorstellt. Er enthält mehrere winzige, kaum mikrometergroße Inseln aus Aluminium. Kühlt man den Chip auf genügend tiefe Temperaturen ab, so wird das Aluminium supraleitend. Die normalerweise ungeordnet im Metall umherfliegenden Leitungselektronen schließen sich dann paarweise zusammen. Es entstehen sogenannte Cooper-Paare, die sich alle im selben Quantenzustand befinden und streng geordnet bewegen. Da jetzt kein Elektron mehr aus der Reihe tanzen kann, fließt der elektrische Strom völlig widerstandslos.

Tunnelnde Elektronen

Zwischen jeweils zwei der supraleitenden Aluminiuminseln befindet sich eine hauchdünne, elektrisch nichtleitende Schicht, durch die die Cooper-Paare "tunneln" können, ohne ihren Quantenzustand zu verlassen. Solch ein Josephson-Kontakt aus zwei supraleitenden und einer isolierenden Schicht enthält einige Milliarden Cooper-Paare, die man mit einigem Aufwand in einen recht bizarren Quantenzustand bringen kann. Dazu haben Irinel Chiorescu und seine Mitarbeiter an der Technischen Universität Delft drei Josephson-Kontakte mit Aluminiumdrähten kreisförmig zusammengeschlossen. Diese supraleitende Schlaufe setzten sie einem wohldosierten Magnetfeld aus, das in ihr einen elektrischen Strom in Gang setzte.

Da der Strom in der Schlaufe ebensogut rechts- wie linksherum fließen konnte, machte er kurzerhand beides zugleich: Es bildete sich ein Quantenzustand - ähnlich dem der Schrödinger-Katze -, bei dem sich Milliarden von Cooper-Paaren gleichzeitig im und gegen den Uhrzeigersinn bewegten. Mit einem kurzen Mikrowellenpuls konnten die Forscher, wie sie in der Online-Ausgabe der Zeitschrift "Science" berichten, ihre Schrödinger-Katze in einen Zustand mit geringfügig höherer Energie bringen. Es stellte sich heraus, daß dieser angeregte Zustand nach knapp einer Millionstelsekunde zerfiel und die Schlaufe in ihren Ausgangszustand zurückkehrte. Für diese kurze Zeitspanne war die supraleitende Schlaufe zu einem quantenmechanischen Datenspeicher geworden, der sich entscheidend von herkömmlichen Datenspeichern unterscheidet.

Eine normale Leiterschlaufe, in der der elektrische Strom entweder links- oder rechtsherum fließt, kann die Information von einem Bit tragen, wobei "linksherum" für Null und "rechtsherum" für Eins stehen könnte. In der supraleitenden Schlaufe hingegen kann der Strom - je nach Quantenzustand mit unterschiedlicher Stärke - zugleich rechts- und linksherum fließen. Diese Schlaufe trägt die Informationsmenge von einem Quantenbit oder Qubit. Statt mit Bits wird der Quantencomputer mit solchen Qubits rechnen. Theoretische Untersuchungen haben gezeigt, daß er herkömmlichen Rechnern haushoch überlegen ist, wenn es um bestimmte Berechnungen wie die Zerlegung großer Zahlen in Faktoren oder die Durchsuchung großer Datenbanken geht. Während der klassische Computer alle möglichen Bitmuster der Reihe nach abarbeitet, verarbeitet sie der Quantencomputer parallel, da seine Qubits eine Überlagerung aller möglichen Bitmuster enthalten. Am Ende fließen diese vielen Parallelrechnungen allerdings zu einem einzigen Ergebnis zusammen.

Bevor man jedoch solche Berechnungen mit einem Quantencomputer ausführen wollte, müßten die supraleitenden Schlaufen die Qubits wesentlich länger speichern können. Störende Umwelteinflüsse führen dazu, daß eine supraleitende Schleife aus einem bestimmten Quantenzustand außerordentlich schnell wieder in ihren Ausgangszustand zurückkehrt und das Qubit ausgelöscht wird. Bei der Überwindung dieser Schwierigkeiten haben die Forscher in letzter Zeit große Fortschritte gemacht. Die jetzt in Delft erreichte Speicherzeit von knapp einer Millionstelsekunde hätte vor einigen Jahren kaum jemand für möglich gehalten.

Ein Quantencomputer muß aber Qubits nicht nur speichern, sondern auch verarbeiten können. Dazu müssen die normalerweise isoliert gehaltenen Qubit für kurze Zeit miteinander in Wechselwirkung treten. Hier haben Wissenschafter vom japanischen Forschungsinstitut Riken in Wako einen Durchbruch erzielt. Die Qubits wurden auch von ihnen auf einem Chip mit Josephson-Kontakten gespeichert. Allerdings nutzen die Forscher um Jaw-Shen Tsai dafür nicht elektrische Ströme, sondern die negativen elektrischen Ladungen der Cooper-Paare ("Nature", Bd. 421, S. 823). Da die Paare durch die nichtleitende Schicht eines Josephson-Kontaktes von einer supraleitenden Insel zur anderen tunneln konnten, verteilten sie sich auf die beiden Inseln, und es stellte sich ein Gleichgewicht ein.

Den Forschern gelang es, das Gleichgewicht so zu justieren, daß die Zahl der Cooper-Paare auf den Inseln nicht eindeutig festlag, sondern um eins zu- beziehungsweise abnehmen konnte. Auch in diesem Fall vermochten sich die Milliarden von Cooper-Paaren nicht für einen von zwei möglichen Zuständen zu entscheiden und wählten kurzerhand beide. Wieder war eine Schrödinger-Katze entstanden, mit der sich ein Qubit speichern ließ. Es war allerdings viel kurzlebiger als das Delfter Qubit und zerfiel schon nach wenigen Milliardstelsekunden.

Verschränkte Quantenbits

Den Forschern in Japan ist es jedoch erstmals gelungen, auf einem Chip zwei Qubits miteinander zu "verschränken". In diesem Zustand geben die Qubits ihre Eigenständigkeit auf und stimmen ihr Verhalten miteinander ab. Um dies zu beobachten, haben die Forscher zwei Josephson-Kontakte dicht nebeneinander auf einem Chip untergebracht. Eine winzige Brücke verband die Kontakte miteinander. Mit einem elektrischen Feld brachten die Forscher die beiden Kontakte miteinander in Resonanz, mit einem Mikrowellenpuls regten sie sie an und setzten die beiden Qubits auf ihre Startwerte. In der Milliardstelsekunde bis zu ihrem Zerfall zeigten die Qubits ein kompliziertes und aufeinander abgestimmtes Verhalten - wie man es von verschränkten Qubits erwartet.

In einem Quantencomputer müßte man indes Hunderte von verschränkten Qubits vielleicht über einige Zehntelsekunden speichern und verarbeiten können. Ob das mit Qubits auf supraleitenden Chips oder auf andere Weise gelingt, ist noch offen. Bei Experimenten mit einzelnen Atomen oder Ionen konnten Qubits immerhin schon tausendmal so lange gespeichert werden, wie das bisher mit Chips möglich ist. Erst kürzlich ist es gelungen, mit Kalziumionen einfache Berechnungen mit wenigen Qubits auszuführen. Auf einem Chip wiederum könnte man eine große Zahl von Qubits speichern. Die Forscher in Delft haben schon Schaltungen mit Tausenden von supraleitenden Schlaufen hergestellt, mit denen sich ebenso viele Qubits speichern und verarbeiten ließen. Daß man eines Tages Schrödinger-Katzen zu Tausenden auf der Fläche eines Fingernagels unterbringen kann, hätte sich ihr Erfinder bestimmt nicht träumen lassen. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 05.03.2003, Nr. 54 / Seite N2

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