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Im klassischen Computer ist die grundlegende Informationseinheit das Bit, das exakt zwei Zustände einnehmen kann (0 oder 1). Ein Quantencomputer arbeitet dagegen mit Qubits. Dieses kann aus unterschiedlichen Quantensystemen gebildet werden, etwa einem Atom oder Photon. Und es kann nicht nur 0 und 1, sondern auch beide Zustände gleichzeitig annehmen - die Physiker sprechen von "Überlagerung" oder "Superposition".
Allerdings ist ein solcher Quantenzustand überaus empfindlich. Schon kleine Störungen können dazu führen, dass ein Quantensystem seine besonderen Eigenschaften verliert, was "Dekohärenz" genannt wird.
Physikerinnen und Physiker des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) und der Universität Wien haben gemeinsam mit Schweizer Forschenden ein Qubit untersucht, das mit supraleitenden Schaltkreisen realisiert wurde. Dabei wollten sie das Verhalten des Systems beschreiben, ohne davon auszugehen, dass es sich um ein Quantensystem handelt, das der Quantentheorie gehorcht.
Hintergrund dieses ungewöhnlichen Ansatzes ist unter anderem, dass es bisher nicht gelungen ist, die Quantentheorie und die Relativitätstheorie zu einer einheitlichen Theorie zusammenzuführen. "Wir sind offen für die Möglichkeit, dass die Quantentheorie vielleicht nicht unsere endgültige physikalische Theorie ist", und die heutige Beschreibung der Natur eines Tages ergänzt oder verändert werden muss, erklärte Caroline Jones vom IQOQI.
Das Hauptaugenmerk des Forschungsteams lag in ihrer aktuellen Arbeit auf den beobachtbaren Eigenschaften, also was man tatsächlich im Labor sehen kann, "ohne den Geräten oder einer bestimmten Theorie zu vertrauen?", so Jones. Dazu wurde das Qubit auf 100 verschiedene Arten vorbereitet und jede dieser Arten auf 100 verschiedene Arten gemessen. "Jedes Präparations-Mess-Paar haben wir 2.000-mal wiederholt, um viele Messdaten und damit eine große Tabelle mit Wahrscheinlichkeiten zu erhalten", erklärte die Physikerin gegenüber der APA.
Sobald das Qubit gemessen wird, bricht der Quantenzustand zusammen. Weil aber die Messungen auch zu unterschiedlichen Zeiten erfolgen, konnten die Wissenschafterinnen und Wissenschafter sehen, wie sich das Qubit im Laufe der Zeit verhält und sich sein Zustand durch Umwelteinflüsse langsam verändert - ganz ohne quantentheoretische Annahmen. Langsam ist hier relativ, beobachtet wird die Zustandsänderung im Mikrosekunden-Bereich, also einem Millionstel Sekunde.
Am Anfang zeigt das Qubit typische Quanteneigenschaften. Das System hat keine festen Eigenschaften, die man einfach ablesen kann. "Die Art der Frage - also die Art der Messung - beeinflusst die Antwort. Je nachdem, wie man misst, bekommt man ein anderes Ergebnis", so Jones. Doch mit der Zeit werden diese besonderen Eigenschaften schwächer, das System verhält sich zunehmend wie ein gewöhnliches physikalisches System.
Dieser Übergang sei zwar aus der Quantentheorie bekannt, wurde in der aktuellen Arbeit aber zum ersten Mal unabhängig davon beobachtet, betonen die Forschenden. Sie zeigt auch, dass man das Verhalten von Quantenbauteilen allein aus Messdaten verstehen kann, ohne blind auf eine Theorie oder auf perfekte Geräte zu vertrauen. "Wir wollen, dass unsere Ergebnisse auch dann noch gültig sind, wenn sich unsere Theorien einmal ändern", sagte Jones. Das bedeutet für die Grundlagenforschung mehr Sicherheit, für die Entwicklung von Quantencomputern kann diese Vorgangsweise Basis für neue Werkzeuge liefern, um zu überprüfen, wie stabil Qubits tatsächlich sind und wann sie anfangen, ihre besonderen Eigenschaften zu verlieren.
++ ARCHIVBILD/THEMENBILD ++ Das Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Akademie der Wissenschaften, am Donnerstag, 28. Jänner 2010, in Innsbruck. Vor 20 Jahren hat die Österreichische Akademie der Wissenschaften (ÖAW) das Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) gegründet. (ARCHIVBILD VOM 28.1.2010)
