Quantencomputer, ein hypothetischer Computer, der unter Ausnutzung von Quanteneffekten für bestimmte Operationen keine Rechenzeit braucht, also unendlich schnell rechnet.

Quanteneffekte sind Voraussagen der Quantentheorie, die keine Entsprechung in unseren alltäglichen Erfahrungen haben. Einer dieser Quanteneffekte ist die bereits beschriebene ►Unschärferelation. Der Effekt, der zur Beschleunigung von Rechenoperationen ausgenutzt werden könnte, ist die Verschränkung von ►Elementarteilchen. Wenn zwei Teilchen verschränkt sind, bilden sie ein gemeinsames Quantensystem. Dieses System bleibt sogar dann bestehen, wenn man die Teilchen beliebig weit voneinander entfernt. Statt ihrer getrennten physikalischen Eigenschaften, etwa einer Rotation der Teilchen, gibt es dann nur noch eine Gesamtrotation des Systems, die sich aus den Einzelrotationen zusammensetzt. Das führt dazu, dass die Messung eines der Teilchen sofort das Messergebnis für das jeweils andere festlegt, egal wie weit es entfernt ist. Einstein bezeichnete dies als 'spukhafte Fernwirkung' und zweifelte die Verschränkung an. Sie wurde jedoch seither in vielen Experimenten nachgewiesen. In der ►Supraleitung - dem Stromfluss ohne Widerstand - wird sie sogar längst industriell genutzt.

Ein normaler Computer rechnet mit kleinsten Informationseinheiten, Bits genannt, die einen Wert von 0 oder 1 annehmen können. Sie sind als Zustände von Speicherzellen realisiert. Das Kopieren eines Bits erfordert das Lesen der alten und das Verändern einer neuen Speicherzelle. Das kostet Rechenzeit. Ein Quantencomputer dagegen arbeitet statt mit Bits mit Qubits (Quantenbits), die aus verschränkten Teilchen statt Speicherzellen bestehen. Hierbei werden durch das 'Lesen' eines Teilchens alle damit verschränkten Partner ohne irgendeine Zeitverzögerung beeinflusst. Zudem kann ein Qubit nicht nur 0 oder 1, sondern auch Zwischenwerte speichern. Mit ausgeklügelten Verfahren will man diese beiden Effekte nutzen, um bestimmte Aufgaben - darunter das Finden von Primzahlen oder das Knacken von Codes - viel schneller zu lösen, als es mit einem konventionellen Computer je möglich wäre.

Die technische Schwierigkeit besteht weniger darin, Verschränkung herzustellen, sondern darin, sie längere Zeit aufrechtzuerhalten. Denn jeder Kontakt mit der Außenwelt, sei es ein Lichtstrahl oder die Berührung mit einem einzigen Atom, zerstört die Verschränkung. Die bisherigen Experimente verwenden daher geladene Atome als Qubits, die in einem Vakuum schweben und von einem Magnetfeld - einer sogenannten Ionenfalle - an ihrem Platz gehalten werden. Die Information ist in der Rotation der Atome gespeichert. Ein Laserstrahl liest und manipuliert die einzelnen Qubits. Die quantenmechanische Kopplung erfolgt durch gemeinsame Schwingungen der Kette von Atomen.


Erstes Qubyte (Rainer Blatt, Phys. Journ. 4, 11 / 2005)

Die obige Abbildung sieht noch nicht sehr nach einem Computer aus. Die Atomkette aus 8 einzelnen Qubits kann jedoch bereits einfache Rechenoperationen auszuführen. Dabei verschränkt man bis zu 4 Teilchen. Diese Kombination erlaubt fast unendlich viele Verschränkungsmodi und stößt schon an die Grenzen der Quantentheorie. Vielleicht findet man auf diese Weise sogar neue physikalische Prinzipien. Ein realer Quantencomputer würde aus vielen gekoppelten Qubit-Speichern bestehen, die von einem konventionellen Computer angesteuert werden.


Erster Quantenprozessor (Blake Johnson / Yale University 2009)

Der obige Quantenprozessor, der im Juni 2009 von Leonardo DiCarlo von der Yale University hergestellt wurde, kann immerhin einfache Algorithmen mit einer Fehlerquote von 20% berechnen. Er besteht aus einer mit Niob bedampften Aluminiumfolie. In die Niobstruktur sind kleine Lücken eingeätzt, die den Qubits entsprechen. Per Mikrowellenstrahlung lassen sich die Aluminiumatome für etwa eine Mikrosekunde verschränken.

Die Konstruktion eines in der Praxis funktionierenden Quantencomputers erfordert ein tiefes Verständnis und eine weitgehende Beherrschung der Welt der Materie. Man kann daher sagen, dass ein Quantencomputer einen signifikanten Meilenstein in der Entwicklung einer Zivilisation darstellt - vielleicht den wichtigsten Meilenstein nach der Erfindung des Rades.

 


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