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News: NICHT quantenmechanisch

Ohne logische Schaltungen gäbe es keinen Computer - das gilt auch für Quantenrechner. Dabei tun sich die potenziellen Superrechner mit der Logik ganz schön schwer.
UND, ODER, NICHT – das sind die drei Grundelemente, aus denen sich im Prinzip jede komplexe logische Schaltung zusammensetzt. Das NICHT-Gatter führt dabei die vielleicht einfachste Operation aus. Es invertiert oder negiert die Eingabe: In binärer Schreibweise wird dabei aus einer Eins eine Null und aus der Null eine Eins. So simpel diese Operation in binärer Logik ist, so kompliziert ist es, ein entsprechendes quantenmechanisches Pendant zu finden.

Denn künftige Quantenrechner sollen nicht nur einfache Kolonnen aus Einsen und Nullen miteinander verrechnen, sondern auch alle daraus möglichen Kombinationen. Das Quantenbit – oder kurz Qubit – ist nämlich mehr als nur Null oder Eins, es kann nach dem Superpositionsprinzip auch eine beliebige Überlagerung der beiden Zustände repräsentieren. Genau dieses Prinzip soll den Quantencomputer einmal äußerst leistungsfähig machen, denn es ermöglicht, gleichzeitig mehrere Rechnungen durchzuführen.

Doch um in Zukunft mit Zahlen jonglieren zu können, müssen die quantenmechanischen Systeme erst einmal ihre prinzipielle Tauglichkeit für Schaltlogik unter Beweis stellen, und eben daran hapert es bislang. Denn der Zustand eines Qubits ist unbestimmt, solange er nicht gemessen wird. Eine Messung zerstört jedoch den Gesetzen der Quantenmechanik zufolge das fragile Gebilde, indem es das Qubit zwingt, sich für einen möglichen Wert zu entscheiden. Damit wäre aber auch die Möglichkeit des parallelen Rechnens zunichte gemacht. Ein NICHT-Gatter sollte also ein Qubit invertieren, ohne vorher dessen Zustand zu bestimmen.

Nun gelang es Francesco De Martini von der Università degli Studi di Roma "La Sapienza" und seinen Kollegen immerhin, eine sehr gute Näherung eines solchen Gatters zu verwirklichen. Dazu bedienten sich die Forscher eines bestimmten optischen Prozesses – der parametrischen Verstärkung. Hierbei schlägt ein Photon aus einem Kristall drei Photonen frei: Zwei davon mit gleicher Frequenz sind gewissermaßen Klone, das dritte, das in entgegengesetzter Richtung den Kristall verlässt, entspricht "weitestgehend" einem NICHT-transformierten Photon.

Die Güte dieser Transformation liegt laut Martini bei etwa 0,630 und entspricht dabei fast dem theoretischen Maximalwert von 0,666 (2/3). Der Wert ergibt sich als Quotient der erfolgreichen Transformationen und der unternommenen Versuche. Denn schon allein aus quantenmechanischen Gründen lässt sich keine optimale NICHT-Transformation von 1 erzielen.

Nicht nur mit einer quantenmechanischen NICHT-Operation konnten die Forscher experimentieren, gleichzeitig ließ sich mit dem Versuchsaufbau auch das Klonen von Photonen überprüfen – ein Prozess, der offenbar mit einer Güte von 0,810 ablief (theoretisch möglich sind 0,833).

Hier waren jedoch Martini und seine Kollegen nicht die Ersten, denn etwa ein halbes Jahr zuvor berichteten Forscher der University of Oxford von einer erfolgreichen Klonierung eines Photons ebenfalls mit einer Güte von 0,810.

Inwieweit sich diese Erkenntnisse nun für einen künftigen Quantenrechner nutzen lassen, ist ungewiss. Denn neben den Photonen gibt es hier eine ganze Reihe von weiteren möglichen Qubits. Nicolas Gisin von der Université de Genève geht jedoch davon aus, dass die Quantenkryptographie, mit der sich Daten abhörsicher über große Entfernungen schicken lassen, von der neuen Technik profitieren könnte.

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