Rechnen mit Quanten

In der kleinen Welt der Atome und Elektronen regieren Gesetze, die für den Laien oft seltsam anmuten. Da nehmen Teilchen gleichzeitig mehrere Zustände an, bilden Quanten die nicht weiter teilbare Grundeinheit und sind weit auseinander liegende Teilchen "spukhaft" miteinander verbunden. Diese Phänomene erforschen Wissenschaftler in den Labors von Universitäten und Forschungseinrichtungen und schaffen so die Grundlagen für völlig neue Technologien. Und Österreich nimmt hier international eine Spitzenstellung ein. An den Universitäten Innsbruck und Wien und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften arbeiten mehrere theoretische und experimentelle Forschungsgruppen eng zusammen, um die Basis für die Zukunft zu schaffen.

Auf dem Weg zur Quanteninformationsverarbeitung

Ihre Geburtsstunde erlebte die Quantentheorie im Jahr 1900 mit Max Planck. Über das Bohrsche Atommodell und die Formulierung der Quantenmechanik nach Werner Heisenberg und Erwin Schrödinger erreichte die Theorie ihre bis heute gültige Form. In den letzten Jahrzehnten konnten viele Facetten der Quantentheorie auch experimentell bestätigt werden. Der erste Schritt in Richtung Quantencomputer wurde vor über zehn Jahren gesetzt: Damals wurden die ersten Quantenalgorithmen entdeckt. Diese nutzen die eigentümlichen Eigenschaften der Quantenwelt zum Beispiel für das Faktorisieren großer Zahlen oder zur Datenbanksuche. Ein Quantencomputer könnte mit diesen Algorithmen um ein Vielfaches effizienter rechnen als gängige Hochleistungscomputer. Auch würde Quantenkommunikation eine abhörsichere Datenübertragung garantieren, da eine Entschlüsselung auf dem Übertragungsweg nicht möglich ist (siehe dazu auch den Kasten).

Die experimentelle Realisierung kleiner quantenmechanischer Systeme im Labor hat erst vor wenigen Jahren eingesetzt. Der gegenwärtig vielversprechendste Ansatz für den Bau eines skalierbaren Quantencomputers scheint die elektromagnetische Speicherung von Ionen zu sein. Mit Hilfe von magnetischen Feldern und Laserlicht können diese Quantensysteme sehr genau kontrolliert und nahezu perfekt von störenden Einflüssen isoliert werden. Andere Ansätze arbeiten mit Supraleitern, Quantenpunkten oder Kernspinresonanz.

Qubits als Informationsträger

Das Herzstück eines Quantencomputers sind die so genannten Qubits (Quantenbits). Sie sind die Träger der Informationen. Wie die klassischen Bits können Qubits den Zustand 0 oder 1 einnehmen, es ist aber auch jede beliebige Überlagerung dieser Zustände erlaubt. Und hier liegt der großen Vorteil der Quantenrechnerei. Während klassische Computer einen Rechenschritt nach dem anderen durchführen, könnte der Quantencomputer eine große Zahl von Operationen gleichzeitig durchführen. Schon mit 8 Qubits würde ein Quantenrechner 256 Werte gleichzeitig verarbeiten, während ein herkömmlicher Computer gerade einmal einen dieser Werte bewältigen kann. Bereits mit 300 Qubits könnte man mehr Zahlen gleichzeitig speichern, als es Atome im gesamten Universum gibt.

Peter Zoller, theoretischer Physiker in Innsbruck, hat gemeinsam mit seinem Kollegen Ignacio Cirac 1995 ein wegweisendes Modell für einen Quantencomputer vorgeschlagen. In einer Falle werden mit Hilfe von Magnetfeldern Atome gefangen, deren innere Zustände als Quantenspeicher verwendet werden. Mit Lasern lassen sich diese Ionen gezielt manipulieren. Die Anregung eines Ions versetzt die ganze Kette in eine Schwingung. Diese Informationsübertragung führt zu jener quantenmechanischen Verschränkung, die aus den einzelnen Qubits schließlich einen Quantenprozessor macht. Der Experimentalphysiker Rainer Blatt hat mit seinem Innsbrucker Team in einer Reihe von Experimenten diese Idee im Labor in die Tat umgesetzt und einen ersten kleinen Quantencomputer gebaut. Ende 2005 berichteten die Wissenschaftler von der weltweit ersten Erzeugung eines "Quantenbyte", acht Qubits wurden dabei kontrolliert miteinander verschränkt. Derzeit arbeiten die Forscher daran, die Effizienz ihres Quantencomputers weiter zu verbessern.