Quantencomputer

Im Grunde hat sich bei den Computern, wie wir sie heute kennen nicht viel verändert, sie basieren auf logischen Verknüpfungen, die Charles Babbage Anfang des 19. Jh. Entwickelt hat und die Konrad Zuse 1941 erstmals in einen Computer umsetzte. Heute ist alles nur etwas kleiner und statt Relais verwendet man heute winzige Transistoren auf Mikrochips.

Die Grundlage für diese Computertechnik ist das Bit, das in unterschiedlichsten Formen gespeichert und verarbeitet werden kann, aber im Grunde basiert die Computertechnik auf der klassischen Mechanik (sieht man einmal von den Transistoren ab, die für ihre Schaltvorgänge auch quantenmechanische Effekte nutzen). Der Quantencomputer auf der anderen Seite wird auch bei den Berechnungen auf quantenmechanische Effekte setzen, insbesondere auf Interferenz und Verschränkung, die völlig neue Möglichkeiten der Informationsverarbeitung eröffnen.

Die neue Einheit der Information ist das Qubit (Quantenbit), das jetzt einen quantenmechanischen Zustand beschreibt. Im Unterschied zum Bit kann das Qubit aber nicht nur Zustände, wie 0 und 1 speichern, sondern auch Überlagerungen, bei denen gleichzeitig 1 und 0 wahr ist. Nimmt man zum Beispiel ein Qubit mit zwei Basiszuständen von jeweils 0 und 1, ergeben sich vier mögliche Kombinationen: 00, 01, 10 und 11, die als Überlagerung gleichzeitig existieren, diese Überlagerung wird auch EPR-Zustand genannt, nach Einstein, Podolsky, und Rosen, die mit ihrem Gedankenexperiment ursprünglich zeigen wollten, dass mit der Quantenmechanik etwas nicht stimmen kann, wenn sie derartige Überlagerungen - und die damit verbundene spukhafte Wechselwirkung - zulässt.

Im Labor sind bisher Quantenzustände erzeugt worden, deren Qubits zwischen 23 und 27 groß waren, was einer Überlagerung 8 bzw. 128 Kombinationsmöglichkeiten entspricht. Diese Zustände sind physikalisch, z. B. die Polarisationsrichtung eines Photons (senkrecht oder waagerecht) bzw. der Spin eines Elektrons (+1/2 oder 1/2). Dazu sperrt man z. B. Atome in sogenannte Ionenfallen, in denen die Überlagerungszustände bei Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunkts entstehen können.

Das führt dazu, dass eine Operation am Quantencomputer als Lösung eine Überlagerung aller möglichen Lösungen gibt und man für das Ergebnis erst filtern muss. Wenn das Ergebnis der Rechnung 2 + 2 aber nicht 4 ist, sondern nur noch mit großer Wahrscheinlichkeit zwischen 3 und 5 liegt, kann man sich vorstellen, dass Quantencomputer für ganz andere Aufgabenstellungen in Frage kommen, wie der klassische Computer.

Die Operationen an diesen Qubits liefern also kein eindeutiges Ergebnis, wie der klassische Computer, statt dessen muss man erst wieder Messungen an ihnen durchführen, um die Ergebnisse auszulesen, durch die Messung nehmen die Qubits dann wieder klassische Werte von 0 oder 1 an.

Ein wichtiger Bestandteil der Entwicklungsarbeit ist es deshalb, die relevanten Lösungen herauszufinden. Besonders trickreich ist hier der Versuch Informationen über Eigenschaften des Systems herauszufinden, ohne die Zustände (z. B. die Spinrichtung der Elektronen) selbst zu messen und damit die Überlagerung zu zerstören. Man versucht das, indem man sich Unterschiede in der Wechselwirkung mit anderen Systemen ansieht und so versucht, Rückschlüsse auf Veränderungen im Quantensystem zu ziehen, die Aussagen darüber machen, was sich durch die Rechenoperation verändert hat.

Sieht man davon einmal ab, ist die parallele Verarbeitung einer der wesentlichen Vorteile des Quantenrechners, seine Fähigkeiten ließen sich natürlich auch klassisch nachbilden, aber der Rechenaufwand steigt dabei exponentiell mit der Anzahl der Zustände, die simuliert werden müssen, während der Quantencomputer die Operation in einem Rechenschritt durchführen kann.

Eine Anwendung, die in diesem Zusammenhang gerne genannt wird, ist das Knacken von Verschlüsselungen. Die sichersten heute bekannten Kryptografiemethoden - von der Quantenkryptografie einmal abgesehen - basieren auf der Primzahlzerlegung großer Zahlen, die mit heutigen Rechnern ab einem gewissen Punkt nur noch mit erheblichem Aufwand möglich sind, so dass die heute verwendeten Schlüssel mit einer Länge von 1024-2048 bits (wobei man davon ausgeht, dass 1024 bit bei steigender Rechenleistung auch bald konventionell geknackt werden können) als sehr sicher gelten. Eine solche Verschlüsselung entspricht einem Quantenzustand mit z. B. 2^1024 Möglichkeiten - eine unvorstellbargroße Zahl.

Die Primzahlzerlegung basiert auf der Idee, dass sich jede Zahl, die nicht selbst eine Primzahl ist, aus dem Produkt von Primzahlen zusammensetzen lässt. Klassisch ist es sehr schwierig, diese Primzahlen zu finden, aber für Quantencomputer ist man bereits dabei Algorithmen zu entwickeln, welche solche Verschlüsselungen in kürzester Zeit knacken sollen.

Die Möglichkeiten sind faszinierend, aber bis zum ersten funktionierenden Quantencomputer sind noch einige Hürden zu überwinden, dazu gehören vor allem die Aufrechterhaltung der Verschränkung, die Fehlerkorrektur und die Anforderungen an die Hardware.

Bei der Fehlerkorrektur macht vor allem die Tendenz des Quantenzustands zu schaffen, sich mit der Zeit aufzulösen, d. h. von einem verschränkten Zustand, in dem sich die Zustände überlagern, geht das System durch Wechselwirkungen mit der Umgebung in ein inkohärentes System über, in dem die Zustände wieder separat vorliegen und damit keine Berechnung mehr erlauben. Diese Dekohärenz lässt sich nicht vollständig unterdrücken, weil es immer eine gewisse Wechselwirkung mit der Umgebung gibt, Ziel ist es allerdings, diese Wechselwirkungen zu minimieren und auf ein akzeptables Maß zu senken sowie vorherzusagen, wann und wie die Kohärenz auftritt.

Die andere Schwierigkeit besteht darin, eine Hardware zu entwickeln, die ähnlich leicht zu handhaben ist, wie die heutiger Computer. Bisher können Quantenzustände nur in der Nähe des absoluten Nullpunkts, bei etwa -273°C, für einige Zeit stabil gehalten werden, und dem gewöhnlichen Nutzer kann man sicher nicht zumuten, ständig flüssiges Helium nachzufüllen.

Der Quantencomputer steht also noch ganz am Anfang seiner Entwicklung, es existieren schon theoretische Konzepte, wie man die neuen Möglichkeiten nutzen kann und erste Experimente, die in die richtige Richtung gehen, aber in der Praxis gibt es noch einige Stolpersteine zu überwinden.


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