23. März 2005, Neue Zürcher Zeitung
 

Rechnen durch Messen

Realisierung eines neuen Konzepts für einen Quantencomputer

In den Computern der Zukunft werden die Schaltkreise so weit miniaturisiert sein, dass sie nach den Gesetzen der Quantenmechanik funktionieren. Damit eröffnen sich neue Möglichkeiten, die man mit dem Quantencomputer voll ausschöpfen will. Dieser neue Computertyp soll besonders schwierige Aufgaben, für die ein gewöhnlicher Elektronenrechner Jahrmillionen brauchen würde, in Minuten lösen. Bis heute wird vor allem darüber diskutiert, wie man die logischen Schaltungen realisieren soll, die in einem Quantencomputer die eigentlichen Rechenoperationen ausführen. Wie österreichische, deutsche und britische Forscher nun demonstriert haben, kann man mit Quanten aber auch auf andere Weise rechnen.

Anders als herkömmliche Computer rechnet ein Quantencomputer nicht mit Bits, sondern mit Quantenbits, kurz Qubits. Dabei kann es sich um Atome, Photonen oder andere Objekte handeln, die ein quantenmechanisches Verhalten zeigen. Während ein Bit entweder im Zustand 0 oder 1 ist, kann ein Qubit in einen quantenmechanischen Überlagerungszustand versetzt werden. Es befindet sich dann sowohl im Zustand 0 als auch im Zustand 1. Darüber hinaus können zwei (oder mehr) Qubits quantenmechanisch verschränkt sein. Die Zustände der beiden Qubits sind dann unbestimmt, bedingen sich aber gegenseitig. Quantenmechanische Überlagerung und Verschränkung der Qubits haben zur Folge, dass ein Quantencomputer eine Vielzahl möglicher Rechenschritte gleichzeitig ausführen kann. Darauf beruht seine Schnelligkeit.

Bei früheren Berechnungen mit Prototypen eines Quantencomputers schrieb man zunächst den Input auf eine Reihe von Qubits. Anschliessend wurden die Qubits logisch miteinander verknüpft, indem man sie paarweise verschränkte, durch elektromagnetische Felder gezielt veränderte oder dazu brachte, sich gegenseitig zu beeinflussen. Diese drei Schritte wurden so lange wiederholt, bis das Rechenergebnis in den Output-Qubits vorlag und durch eine Messung ausgelesen werden konnte.

Lange Zeit hielt man dies für die einzige Möglichkeit, mit Quanten zu rechnen. Doch 2001 schlugen Robert Raussendorf und Hans J. Briegel das Konzept des sogenannten Einweg-Quantencomputers vor. Anstatt von unabhängigen Qubits auszugehen, die im Laufe der Rechnung sukzessive miteinander verschränkt werden, erzeugt man gleich am Anfang eine möglichst grosse Zahl von verschränkten Qubits. Die Rechnung erfolgt nun durch eine Reihe von Messungen an einzelnen Qubits dieses Cluster-Zustandes. Dabei wird die Verschränkung des Ausgangszustandes auf eine nicht mehr rückgängig zu machende Weise zerstört (daher Einweg-Quantencomputer). Entscheidend bei dieser Art der Berechnung ist, dass die Ergebnisse der bereits erfolgten Messungen einen Einfluss darauf haben, welche Messung als Nächstes vorgenommen wird. Auf diese Weise sind beliebig komplizierte Berechnungen möglich.

Um dieses neue Konzept des Quanten-Computing experimentell zu verifizieren, haben Philip Walther und Anton Zeilinger von der Universität Wien zusammen mit anderen Kollegen einen Cluster-Zustand aus vier verschränkten Photonen erzeugt. Dazu wurde ein Laserstrahl auf einen Bariumboratkristall gerichtet, in dem sich je ein Laserphoton in zwei Photonen mit verschränkten Polarisationszuständen umwandelte. Anschliessend wurden die verschränkten Photonenpaare mit Hilfe von Polarisationsstrahlteilern paarweise verschränkt. Die Forscher stellten ihrem Einweg- Quantencomputer eine einfache Aufgabe. Es waren vier Bits gegeben, von denen drei den Wert 0 hatten und eines den Wert 1. Welches Bit dies war, sollte der Quantencomputer herausfinden. Während ein herkömmlicher Computer dazu im Mittel 2,25 Bits überprüfen muss, benötigt ein Quantencomputer nur einen Schritt. Tatsächlich konnte der Einweg-Quantencomputer diese Aufgabe in 90 Prozent aller Fälle erfolgreich lösen.

Um interessantere Aufgaben bewältigen zu können, benötigt der Einweg-Quantencomputer Cluster, die Hunderte von Qubits enthalten. Als ersten Schritt dahin wollen die Wiener Forscher sechs Photonen miteinander verschränken. Doch die experimentellen Schwierigkeiten wachsen mit zunehmender Zahl der Photonen rasch an. Ob der Einweg-Quantencomputer letztlich leistungsfähiger ist als bisherige Quantencomputer, muss sich noch zeigen.

Rainer Scharf

Quelle: Nature 434, 169-176 (2005).

Diesen Artikel finden Sie auf NZZ Online unter: http://www.nzz.ch/2005/03/23/ft/articleCOIVR.html

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