Neues Konzept für Quantencomputer:
"Größter Knaller seit der Teleportation"

Wenn der Quantencomputer kommt, dann wird er alle konventionellen Systeme um Längen schlagen, da sind sich die meisten Experten einig. Wann das allerdings sein wird, da gehen die Meinungen auseinander. Wiener Physiker um Anton Zeilinger vom Institut für Experimentalphysik der Universität Wien haben nun in der renommierten Wissenschaftszeitschrift "Nature" ein völlig neues Konzept für den Quantencomputer präsentiert. Nach Einschätzung von Philip Walther aus Zeilingers Guppe handelt es sich dabei um den "größten Knaller seit Realisierung der Teleportation".

Für die Verwirklichung eines Quantencomputers gibt es bisher verschiedene Ansätze. Gemeinsam haben die Versuche, dass dabei so genannte Quanteneffekte, die sich bei der herkömmlichen Elektronik eher störend und limitierend auswirken, gezielt genutzt werden. Quanteneffekte sind teils dem Menschenverstand zu widersprechen scheinende Phänomene in der Welt der kleinsten Teilchen. So gibt es in der Quantenwelt nicht nur definierte Zustände - beispielsweise 1 oder 0 (also die Werte der kleinsten Informationseinheit "bit" in herkömmlichen Computern) - sondern auch so genannte Überlagerungen, eine Art Schwebezustand ("Superposition") in der sich die Teilchen befinden. Erst durch eine Messung wird der Zustand gleichsam gelöst, es kommt wieder 1 oder 0 heraus. Die Wahrscheinlichkeit, ob das Ergebnis 1 oder 0 ist, kann beeinflusst werden.

Auch Quanteneffekte zwischen den Teilchen, so genannte Verschränkungen, werden genutzt. Dabei sind etwa zwei Teilchen auch über große Distanzen miteinander verbunden, Einstein sprach von "spukhafter Fernwirkung". Manipuliert man eines davon, so verändert man auch das andere. Die Verschränkung kann aber auch festlegen, dass zwei Teilchen nicht gleichzeitig den gleichen Zustand annehmen können.

Quantencluster
Ein Haupthindernis bei der technischen Verwirklichung des Quantencomputers ist die Einrichtung so genannter Gates bzw. Gatter. Das sind jene Schalteinheiten, die im konventionellen Computer aus Halbleitern und Transistoren bestehen und die eigentlichen Rechenaufgaben erledigen. Mit dem neuen Konzept der "Quantencluster" haben die Wiener Physiker das Problem nun elegant umgangen. Bei diesem Cluster-Zustand werden, wie auch bei der normalen Verschränkung von zwei Photonen, Teilchen gleichsam mit einander verbunden.

Im konkreten Fall gelang die Verschränkung von vier Photonen zu einem Cluster. "Wird der Zustand eines der Teilchen gemessen, beeinflusst die Messung zwar die verbleibenden drei, sie bleiben aber dennoch im Überlagerungszustand und können weiter verwendet werden", erklärte Walther. Da bei jeder Beeinflussung, also jeder Messung jeweils ein Photon geopfert werden muss und damit nicht mehr zur Verfügung steht, wird das Konzept auch "One Way Quantencomputer" genannt.

Neuer Weg zur Realisierung
Das Erstaunlichste daran ist, dass die Cluster praktisch alle Ergebnisse einer möglichen Eingabe in sich tragen. Durch Anordnung der Messung einzelner Photonen kann beeinflusst werden, was mit einer Eingabe passiert, also welche Rechenoperation durchgeführt wird. Die Einrichtung von Gattern entfällt. "Das beschriebene Experiment stellt einen grundsätzlich neuen Weg zur praktischen Realisierung eines Quantencomputers dar, der sich von allen bisherigen Computerkonzepten unterscheidet", kommentierte Zeilinger die Arbeit.

Konkret sieht die Sache so aus, dass die Wissenschafter dem Quantencomputer eine einfache Aufgabe stellen. Nach der Eingabe - etwa 1 plus 2 - wird die Messung so lange verändert, bis das richtige Ergebnis - 3 - herauskommt. Mit der gleichen Anordnung können dann kompliziertere Aufgaben angegangen werden. Für die Veröffentlichung in "Nature" haben die Experimentatoren den Computer einfache Suchaufgaben nach markierten Impulsen lösen lassen.

Für Laien unübersichtlich
Um immer kompliziertere Operationen durchführen zu können, müssten in Zukunft auch mehr Photonen zu verschränkten Clustern zusammenführen. Das sei die Aufgabe für die nächste Zeit: 20, 40, 100 Teilchen könnten es schon werden, so Walther. Was die Geschwindigkeit angeht, nehmen sich die Angaben der Wissenschafter für den Quantencomputer beeindruckend aus. So muss ein konventioneller Rechner für eine Suchoperation in einer Datenbank mit zwei Millionen Einträgen eine Million Mal nachfragen, um einen bestimmten Eintrag zu finden. Der Quantencomputer braucht dagegen nur 1.400 Anfragen.

Noch hat der Quantencomputer der Wiener Physiker mit einem Bürogerät wenig zu tun. Es handelt sich vielmehr um eine für den Laien völlig unübersichtliche Anordnung von Spiegeln, Linsen und Strahlteilern, die auf einem rund einen Quadratmeter großen Labortisch angeordnet sind. Allerdings sind Praktikabilität oder gar Tragbarkeit noch nicht wirklich ein Thema für die Grundlagenforscher. (apa)