Bitte noch ein Bit

News: Bitte noch ein Bit

Quantencomputer sollen einmal Probleme innerhalb eines Wimpernschlags lösen, für die ihre normalen Geschwister Wochen brauchen. Doch bis jetzt mangelt es den Superrechnern noch an quantenmechanischen Bits, denn die lassen sich bislang nur in kleinen Mengen handhaben. Die naheliegende Lösung wäre also, mehrere solcher Bit-Häppchen einfach geschickt zu verknüpfen.

Thorsten Krome

Die Sprache von Computern besteht nur aus Nullen und Einsen. Jegliche Information lässt sich mit diesem simplen Alphabet ausdrücken. Auch Quantencomputer haben hier zunächst einmal nicht viel mehr Möglichkeiten, sich zu verständigen, geben sich aber prinzipiell etwas unentschlossener: Denn bei ihnen kann ein Bit gleichzeitig ein bisschen "0" und ein wenig "1" sein. So ein Quantenbit – oder kurz Qubit – stellt eine Überlagerung von möglichen Zuständen dar, und das ist das eigentliche Geheimnis, warum Quantencomputer bestimmte Aufgaben so schnell bewältigen: Sie rechnen einfach mit allen Möglichkeiten gleichzeitig, während ein normaler Computer seine Aufgaben nacheinander ausführen muss.

Das Problem an dem Konzept Quantencomputer ist jedoch, dass es nicht eben leicht ist, ein quantenmechanisches System mit genügend Qubits herzustellen, um damit anständig rechnen zu können. So gelang es in ersten Experimenten anhand einiger weniger Qubits – beispielsweise einiger Ionen in einer Teilchenfalle – gerade mal, die prinzipielle Tauglichkeit unter Beweis zu stellen. Doch waren es stets zu wenige Qubits, um damit anspruchsvollere Aufgaben zu bewältigen.

Nun schlagen David Kielpinski vom Massachusetts Institute of Technology, Christopher Monroe von der University of Michigan und David Wineland vom National Institute of Standards and Technology (NIST) ein verblüffend einfaches Konzept vor, welches das Dilemma lösen soll [1]: Anstelle eine große Zahl von Ionen oder Atomen als Qubits in einer Teilchenfalle zu halten und dort zu manipulieren, solle man lieber viele mit einander verbundene Fallen mit kleiner Teilchenzahl verwenden. Die Ionen ließen sich dann beispielsweise durch geeignete elektromagnetische Felder von einer Falle in die andere schubsen. So könnte ein Teil des Systems als Speicher, ein anderer Teil wiederum als Wechselwirkungszone oder logisches Gatter dienen.

Die Technik für ein solches System – die Wissenschaftler nennen es quantum charge-coupled device (QCCD) – steht prinzipiell schon zur Verfügung. So gelang es unlängst Monroe mit seiner Gruppe am Center for Optical Coherent and Ultrafast Science sogar zwei verschiedene Cadmium-Isotope in einer Falle auf nahezu null Kelvin abzukühlen und so als Qubit vorzubereiten [2]. Am NIST konnten Forscher indes tatsächlich Ionen zwischen zwei 1,2 Millimeter entfernten Fallen hin und her bewegen. Der elektronische Zustand der Teilchen blieb dabei stabil, sodass hier keine quantenmechanische Information verloren ging.

Die Forscher sind also zuversichtlich, dass sich ihre Idee auch für noch größere, komplexere Systeme eigenen wird. Warten wir es ab.