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F.A.Z. v. 8.12.1999

Schnellerer Quantencomputer

Chloroformmoleküle in Flüssigkristall ausgerichtet / Von Rainer Scharf

Noch steht die Entwicklung des Quantencomputers ganz am Anfang, doch die mit ihm verbundenen Hoffnungen sind groß. Bestimmte Berechnungen, für die ein herkömmlicher Supercomputer Millionen Jahre benötigen würde, könnte ein Quantencomputer, der nur aus einigen hundert Komponenten besteht, in Sekunden ausführen. Die Gesetze der Quantenmechanik machen dies möglich. Wie Schrödingers Katze befindet sich ein Quantencomputer gleichzeitig in mehreren verschiedenen Quantenzuständen. Beim Quantencomputer ist die Zahl dieser Zustände astronomisch groß. Das ermöglicht es ihm, außerordentlich viele Berechnungen simultan auszuführen. Einen rudimentären Quantencomputer" der lediglich vier Zustände gleichzeitig annehmen kann, haben im vergangenen Jahr Isaac Chuang und seine Mitarbeiter vom IBM Almaden Research Center in Kalifornien vorgestellt. Sein Rechenwerk besteht aus radioaktiv markierten Chloroformmolekülen, die in Aceton gelöst sind. Wie die Wissenschaftler jetzt herausgefunden haben, lässt sich die Rechengeschwindigkeit steigern, wenn man das Chloroform stattdessen in einem Flüssigkristall löst.

Jedes der benutzten Chloroformmoleküle enthält ein Wasserstoff- und ein Kohlenstoff-13-Atom. Die Kernspins dieser Atome zeigen in einem Magnetfeld in Feldrichtung oder ihr entgegen. So ergeben sich für jedes Molekül insgesamt vier verschiedene Spin-Ausrichtungen. Eine geeignete Folge von Radiofrequenzpulsen bringt die Atomkerne in einen quantenmechanischen Zustand, bei dem alle vier Spin-Ausrichtungen gleichzeitig vorliegen. Weitere Pulse modifizieren diesen Zustand in gewünschter Weise. Aus dem Endzustand kann schließlich das gesuchte Rechenergebnis ausgelesen werden.

Der Chloroform-Quantencomputer arbeitet um so schneller, je stärker sich die Kernspins des Wasserstoff- und des Kohlenstoffatoms im Chloroformmolekül gegenseitig beeinflussen ("Applied Physics Letters", Bd. 75, S. 3563). Löst man das Chloroform nicht in einer normalen Flüssigkeit, sondern in einem Flüssigkristall, so zwingt dessen räumliche Struktur den Molekülen eine bestimmte Orientierung auf. Dadurch verstärkt sich die Wechselwirkung zwischen den Kernspins, und die Rechengeschwindigkeit erhöht sich. Mit dem Flüssigkristall arbeitete der Quantencomputer acht Mal so schnell wie im Aceton.

Umwelteinflüsse stören indes die Kernspinzustände, die den Molekülen durch die Radiofrequenzpulse aufgeprägt wurden. Will man auf eine aufwendige Fehlerkorrektur verzichten, so muss der Quantencomputer seine Berechnungen abgeschlossen haben, bevor diese Störungen das Ergebnis verfälschen können. Im flüssigkristallinen Lösungsmittel machen sich die Störungen zwar früher bemerkbar als im Aceton; doch wegen der deutlich höheren Rechengeschwindigkeit können insgesamt fünf Mal so viele mathematische Operationen ausgeführt werden wie bisher. Zudem steht der rudimentäre Quantencomputer schon nach acht Sekunden für eine neue Rechenaufgabe bereit, während man bisher knapp zwei Minuten warten musste. 
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