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Quantencomputer: Quantensprung in der Computertechnik

Die Verschränkungsorgien gehen immer weiter. Kein Wunder: Denn je mehr Teilchen eng miteinander verbandelt sind, desto mächtiger wäre ein eventueller Quantencomputer. Nun wurde die in der Informationstechnik so bedeutsame Zahl von acht miteinander verknüpften Elementen erreicht.
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Österreich schlägt die Vereinigten Staaten! Was im Sport kaum denkbar scheint – mit Ausnahme in den alpinen Skidisziplinen vielleicht – gilt zunehmend für Wissenschaft und Technik. Seit Anton Zeilinger und weitere angesehene Quantenphysiker vor einigen Jahren am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation in Innsbruck eine Mannschaft um sich versammelt haben, sieht die wissenschaftliche Welt mit ganz anderen Augen auf das kleine Land in der Mitte Europas.

Nun haben zwei Protagonisten aus der österreichischen Hochburg für Quantenphysik einen neuen Coup gelandet. Rainer Blatt, wissenschaftlicher Direktor des Arbeitsbereichs Quantenoptik und Spektroskopie, und sein Kollege Hartmut Häffner haben es geschafft, gleich acht Kalzium-Ionen so miteinander zu verschränken, dass sie sich quantenmechanisch wie ein einziges Objekt verhalten [1]. Das ist Weltrekord.

Zugleich haben sie damit – quasi auf der Zielgeraden – ein favorisiertes Team aus den Vereinigten Staaten geschlagen, dem im Vorwege größere mediale Aufmerksamkeit geschenkt wurde. Der Arbeitsgruppe um Dietrich Leibfried vom National Institute of Standards and Technology gelang es unabhängig von den Europäern und nahezu gleichzeitig, sechs Beryllium-Ionen miteinander zu verschränken [2]. Ohne die Österreicher wäre das die (gedachte) Goldmedaille gewesen. Die Platzierung der Amerikaner gleicht nun aber einer Sprinterstaffel, die im Endlauf zwar die bislang gültige Weltbestzeit unterbot, aber dennoch Zweiter wurde.

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Sechserpack | Sechs sind zwei zu wenig. Einem Forscherteam vom National Institute of Standards and Technology um Dietrich Leibfried gelang die Verschränkung von sechs Beryllium-Ionen. Ihren Ruhm konnten sie nicht lange genießen. Ein österreichisches Team setzte zur gleichen Zeit noch zwei Teilchen drauf, als sie insgesamt acht Kalzium-Ionen miteinander verbandelten.
Doch geben sich beide Teams sportlich, in dem sie in der einschlägigen Fachliteratur, in der sie von ihren Ergebnissen berichten, jeweils auf die Leistungen der anderen verweisen. Wenngleich diejenigen, die das Nachsehen haben – wie im Sport durchaus üblich – ihren Beitrag abschließend noch einmal explizit mit der Konkurrenz vergleichen und zu dem Schluss kommen, dass die österreichische Gruppe zwar mehr Teilchen miteinander verknüpfte, deren informationstechnische Qualität aber geringer sei. Eine gleichartige Selbstreflexion findet sich bei der alpenländischen Gruppe nicht. Das haben Sieger auch nicht nötig.

Sie werden nun in den Medien gefeiert. Als erste Forschergruppe gelang ihnen, die für die Computertechnik magische Zahl von acht Einheiten zu erreichen. Die Erzeugung eines so genannten Quantenbytes gilt als wichtiger Schritt auf dem Weg zu einem Quantencomputer. Denn in der heutigen Informationstechnik sind acht Bits zu einem so genannten Byte zusammengefasst. Dabei entspricht ein Bit einer Ja/Nein-Entscheidung und ist vergleichbar mit einem Buchstaben in einem binären Alphabet. In dieser Analogie entspricht ein Byte einem (einfachen) binären Wort, mit dem sich leicht 256 verschiedene Zeichen eines herkömmlichen Alphabets darstellen lassen, beispielsweise die des deutschen ABCs einschließlich der Ziffern, Satzzeichen sowie vieler Sonderzeichen.

Daher haben die Österreicher nach Ansicht vieler eine rechnertechnische Hürde genommen, die vor vielen Jahren ebenso der Beginn der Informationslogik darstellte – wenngleich Programmierer heute bereits mit weit komplexeren Strukturen arbeiten, die 16, 32 oder sogar 64 Bits umfassen. Deswegen spielt die alpenländische Arbeitsgruppe diesen Erfolg ein wenig herunter – zurecht.

Zwar freuen sich Blatt und Häffner, dass sie dieses vielbeachtete Ziel nun erreicht haben. Doch: "Für unsere Forschung ist allerdings entscheidend, dass wir mit diesem Experiment nun ein Werkzeug zur Hand haben, mit dem wir die Prozesse der Quanteninformationsverarbeitung sehr genau studieren können." Schließlich benötigen Quantencomputer keine Acht-Bit-Strukturen zur Darstellung von beispielsweise 256 Zuständen.

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Qubyte-Dichtematrix | Absolute Werte der rekonstruierten Dichtematrix der acht miteinander verschränkten Kalzium-Ionen des Forscherteams vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation
Denn das Wesentliche dieser neuartigen Quantentechnik ist es ja gerade, dass sich mit sehr wenigen Einheiten eine Vielzahl an Daten repräsentieren lassen. So eröffneten die Innsbrucker Forscher mit ihrem jetzt erschaffenen Quantenbyte bereits einen "Rechenraum" – wie sie es selbst bezeichnen – aus 65 536 zum Großteil unabhängiger Elemente. Damit ließen sich weit mehr als einfache Buchstabenfolgen darstellen. Diese Vielfalt reicht beispielsweise aus, um nahezu alle heute verwendeten chinesischen Schriftzeichen abzubilden.

Die eigentliche Schwierigkeit in dem Experiment war nach Angaben der Wissenschaftler daher der Nachweis, dass die untersuchten Teilchen tatsächlich miteinander verschränkt sind. Das Forscherteam musste dazu rund 650 000 Messungen durchführen, um die acht Quantenbits (Qubits) durch Zahlen beschreiben zu können. Allein dieser Messprozess nahm über zehn Stunden in Anspruch. Die konventionelle Berechnung der Zahlen zu Kontrollzwecken sowie deren Umsetzung in eine grafische Darstellung dauerte gleich mehrere Tage, obwohl sie auf einem Hochleistungscomputer durchgeführt wurde.

Dies bestätigt nach Aussage von Blatt die Überlegenheit der Quanteninformationsverarbeitung gegenüber herkömmlichen Computern: "Was mit den acht Qubits in etwa einer Millisekunde passiert, kann mit einem normalen Rechner nur in vielen Stunden berechnet und charakterisiert werden."

Diese geballte Rechenleistung, zu denen Quantencomputer in der Lage sind, fasziniert viele Wissenschaftler und motiviert sie zu immer ausgefeilteren Experimenten – könnten sie mit derartigen Rechnern doch blitzschnell heute noch überaus sichere Datenverschlüsselungen knacken, die Suche in umfangreichen Datenbanken beschleunigen oder hochkomplexe biologische Systeme einfach analysieren. Doch bis dahin ist noch ein weiter Weg.

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Qubyte | Die acht Kalzium-Ionen gefangen in einer Paul-Falle des Innsbrucker Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation
Zumindest bewies das Experiment nach Ansicht der Experimentatoren aber, dass Ionenfallen vom Paul-Typ, wie Blatt und Häffner sie in Innsbruck verwendeten, die viel versprechendste Technik für die Umsetzung größerer Rechenräume darstellen. Mit den nach dem deutschen Physiker Wolfgang Paul benannten elektromagnetischen Käfigen ließen sich wahlweise vier, fünf, sechs, sieben oder die viel beachteten acht Ionen kontrolliert in einer Reihe anordnen und mit Lasern verschränken. Nun fehlen bald nur noch handhabbare Algorithmen, mit denen die neuen Rechner loslegen können. Doch gibt es dazu bislang nur sehr spärliche Ansätze.
03.12.2005

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 03.12.2005

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