Donnerstag, 29. September 2022

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Kreiselnde Qubits

Informationstechnik. – Der Quantencomputer, der allen derzeitigen Superrechnern um Lichtjahre voraus ist, ist derzeit noch pure Science-fiction. Doch in der heutigen Ausgabe des Fachblatts "Nature" stellen niederländische Physiker einen viel versprechenden Ansatz vor: einen Quantenrechner auf der Grundlage kreiselnder Elektronen.

Von Frank Grotelüschen | 17.08.2006

    "Ein normaler Computer hat als kleinste Schalteinheit das Bit. Dieses Bit kann entweder 0 sein oder 1. Der Quantencomputer hingegen hat als kleinste Schalteinheit das Quantenbit, das Qubit. Und dieses Qubit kann nicht nur 0 oder 1 sein, sondern 0 und 1 gleichzeitig. Das bedeutet: Man kann mit dem Qubit zwei Operationen gleichzeitig ausführen."

    Frank Koppens von der Universität Delft in den Niederlanden ist von den Möglichkeiten des Quantencomputers begeistert. Der nämlich ist – zumindest theoretisch – einem gewöhnlichen PC haushoch überlegen. So kann ein PC mit zehn Bits gerade mal einen von 1024 Werten kodieren. Der Quantenrechner hingegen vermag in zehn Qubits alle 1024 Werte auf einmal zu speichern. Und ein Quantenrechner mit 100 Qubits hätte im Prinzip genauso viel Rechenpower wie alle konventionellen Computer auf der Welt zusammen. Koppens:

    "”Bestimmte Aufgaben wie das Zerlegen riesiger Zahlen in ihre Primfaktoren sind für gewöhnliche Rechner extrem schwierig. Sie brauchen Jahre dafür. Ein Quantencomputer hingegen würde das in ein paar Sekunden schaffen. Und diese Primzahlzerlegung ist wichtig um Informationen sicher zu übertragen.""

    Hilfreich könnte der Quantenrechner nicht nur bei der Ver- beziehungsweise Entschlüsselung elektronischer Informationen sein, sondern auch beim Durchforsten von Datenbanken. Um zum Beispiel eine Datenbank mit einer Million Einträgen zu durchforsten, benötigt ein PC eine halbe Million Versuche. Der Quantencomputer käme mit 1000 aus.

    Doch die Sache hat einen Haken. Es ist alles andere als einfach, einen Quantencomputer zu bauen. Die Forscher haben bislang nur primitive Prototypen zustande gebracht. Der Weg zu einem wirklich leistungsfähigen Quanten-PC ist von zwei Hürden verstellt. Koppens:

    "”Erstens: Ein Quantenbit geht sehr leicht verloren. Es ist extrem empfindlich, gerät durch kleinste Störungen außer Takt und wird gelöscht. Zweitens: Um mit den Quantenbits eine Rechnung auszuführen, müssen wir in der Lage sein, sie äußerst präzise anzusteuern – und zwar ohne sie dabei zu stören.""

    Bislang experimentieren die Physiker zum Beispiel mit Ionenfallen: Das sind luftleere Stahltöpfe, in denen Atome in der Schwebe gehalten und von Lasern anvisiert werden – ein aufwendiges Verfahren. Koppens versucht sich an einer simpleren Methode, sie basiert auf einem Halbleiterchip. Auf diesem Chip steckt ein so genannter Quantenpunkt – eine Falle, in die sich ein einzelnes Elektron einsperren lässt. Dieses Elektron besitzt einen Eigendrall, den Spin. Durch diesen Spin wird das Elektron in einem Magnetfeld zu einer winzigen Kompassnadel, und die zeigt entweder nach oben oder nach unten. Damit hat man ein Bit: oben 1, unten 0. Frank Koppens und seinen Leuten ist es nun gelungen, aus diesem Bit ein Quantenbit zu machen. Koppens:

    "”Als erstes sperrten wir ein Elektron in unsere Falle und ließen es wie eine Kompassnadel nach oben zeigen. Dann erzeugten wir dicht bei der Falle ein Magnetfeld, das rasend schnell fluktuierte. Dieses Magnetfeld brachte das Elektron zum Rotieren. Das Rotieren führte dazu, dass das Elektron in einen Zustand der Überlagerung geriet: Sein Spin war oben und unten zugleich. Damit hatten wir ein Quantenbit, das wir präzise kontrollieren konnten.""

    Nur: Mit einem einzelnen Qubit lässt sich noch nicht viel anfangen. Um wirklich so rasant losrechnen zu können wie geplant, müsste man Dutzende, wenn nicht Hunderte von Quantenbits zusammenschalten. Und genau bei diesem Zusammenschalten könnte sich die Methode aus Delft den anderen Ansätzen als überlegen erweisen, denn, so Koppens:

    "”Es dürfte mit unserer Methode relativ einfach sein, zu größeren Chips mit Dutzenden oder Hunderten von Qubits zu kommen. Und da unser Verfahren auf einem Halbleiter-Chip basiert, könnten wir ähnliche Fertigungsmethoden verwenden wie bei der Massenproduktion von Chips.""

    Doch bis zu einem ausgewachsenen Quantenrechner ist der Weg noch weit. Das Problem ist die Steuerung. Bislang haben die Physiker mit ihrer Magnetsteuerung gerade mal ein Qubit im Griff. Dasselbe Spielchen simultan mit hundert Elektronen zu treiben, ist, gibt Koppens zu, nichts anderes als eine gewaltige Herausforderung.