Bits und Bytes. Das sind die Schalteinheiten, mit denen ein gewöhnlicher PC rechnet. Und zwar kann ein Bit entweder auf "Null" stehen oder auf "Eins". Ganz anders funktioniert ein Quantencomputer: Statt auf Bits basiert er auf dem Quantenbit, kurz Qubit. Und so ein Qubit kann nicht nur Null oder Eins sein, sondern Eins und Null zugleich. Er kann also sämtliche Werte dazwischen annehmen. Genau das soll eines Tages die Informationstechnologie revolutionieren, sagt Leonardo Di Carlo, Physiker an der Yale University in den USA.
"Dadurch könnten Computer deutlich schneller werden. In manchen Fällen könnte ihre Rechengeschwindigkeit sogar exponentiell wachsen – etwa wenn man große Zahlen in ihre Primfaktoren zerlegen möchte, was wichtig ist für die Entschlüsselung von Geheimcodes und die Datensicherheit im Internet."
Geheimcodes knacken, riesige Datenbanken durchforsten, aberwitzige Computersimulationen abarbeiten: All das könnte ein Quantenrechner ungleich schneller erledigen als heute die größten Supercomputer. Das Problem: Bislang gibt es nur primitive Laborexemplare, weit entfernt von der Marktreife. Sie basieren zum Beispiel auf sogenannten Ionenfallen. Das sind luftleere Edelstahltöpfe, in denen elektrische Felder geladene Teilchen in der Schwebe halten. Angesteuert werden die Ionen aufwändig mit Lasern. Leo Di Carlo hat nun einen deutlich simpleren Prototyp entworfen.
"Das Bemerkenswerte an unserem Quantenprozessor: Er basiert auf einem integrierten Schaltkreis. Dieser Schaltkreis lässt sich mit den herkömmlichen Fabrikationsmethoden der Mikroelektronik herstellen. Im Prinzip ähnelt unser Schaltkreis also ganz normalen Chips, wie sie in Laptops und PCs stecken."
Herz des Quantenprozessors ist ein sieben Millimeter langes Aluminiumplättchen, auf dem eine verschlungene Leiterbahn aufgeprägt ist. Die Ansteuerung erfolgt durch elektrische Kontakte und zusätzlich durch Mikrowellen-Signale. Doch die Sache hat einen Haken:
"Unser Chip ist supraleitend. Er funktioniert nur bei Temperaturen, die ein paar tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt liegen, bei minus 272 Grad. Wir können ihn also nur in einem speziellen Gefrierschrank betreiben. Außerdem ist unser Prozessor noch extrem primitiv. Bislang kann er nur sehr simple Aufgaben lösen."
Innerhalb von 100 Nanosekunden kann der Chip mit zwei Quantenbits eine Datenbank durchforsten – eine Datenbank mit gerade mal vier Einträgen. Das ließe sich natürlich auch im Kopf rechnen. Um wirklich nützlich zu sein, bräuchte man einen Quantenprozessor mit deutlich mehr als zwei Quantenbits. Und genau hier verspricht das Konzept von Di Carlo einen Vorteil gegenüber anderen Ansätzen:
"Im Prinzip ist es erweiterbar. Man kann sich vorstellen, wirklich viele Qubits auf einem Chip unterzubringen. Kurzfristig dürfte es kein Problem sein, einen Schaltkreis mit drei oder vier Quantenbits hinzubekommen. Und das wäre schon interessant, um die Grundlagen eines Quantencomputers weiterzuentwickeln. Aber bis zu einem wirklich brauchbaren Quantenrechner ist der Weg noch weit. Da sind noch einige Hürden zu nehmen."
Das Hauptproblem: Qubits sind sensibel. Bereits kleinste Störungen genügen, und sie verlieren ihre Information. Der Quantenchip von Leonardo Di Carlo schafft es nur für eine millionstel Sekunde, seine Information zu halten. Eine Zeitspanne, die die Forscher noch deutlich steigern müssen.
"Dadurch könnten Computer deutlich schneller werden. In manchen Fällen könnte ihre Rechengeschwindigkeit sogar exponentiell wachsen – etwa wenn man große Zahlen in ihre Primfaktoren zerlegen möchte, was wichtig ist für die Entschlüsselung von Geheimcodes und die Datensicherheit im Internet."
Geheimcodes knacken, riesige Datenbanken durchforsten, aberwitzige Computersimulationen abarbeiten: All das könnte ein Quantenrechner ungleich schneller erledigen als heute die größten Supercomputer. Das Problem: Bislang gibt es nur primitive Laborexemplare, weit entfernt von der Marktreife. Sie basieren zum Beispiel auf sogenannten Ionenfallen. Das sind luftleere Edelstahltöpfe, in denen elektrische Felder geladene Teilchen in der Schwebe halten. Angesteuert werden die Ionen aufwändig mit Lasern. Leo Di Carlo hat nun einen deutlich simpleren Prototyp entworfen.
"Das Bemerkenswerte an unserem Quantenprozessor: Er basiert auf einem integrierten Schaltkreis. Dieser Schaltkreis lässt sich mit den herkömmlichen Fabrikationsmethoden der Mikroelektronik herstellen. Im Prinzip ähnelt unser Schaltkreis also ganz normalen Chips, wie sie in Laptops und PCs stecken."
Herz des Quantenprozessors ist ein sieben Millimeter langes Aluminiumplättchen, auf dem eine verschlungene Leiterbahn aufgeprägt ist. Die Ansteuerung erfolgt durch elektrische Kontakte und zusätzlich durch Mikrowellen-Signale. Doch die Sache hat einen Haken:
"Unser Chip ist supraleitend. Er funktioniert nur bei Temperaturen, die ein paar tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt liegen, bei minus 272 Grad. Wir können ihn also nur in einem speziellen Gefrierschrank betreiben. Außerdem ist unser Prozessor noch extrem primitiv. Bislang kann er nur sehr simple Aufgaben lösen."
Innerhalb von 100 Nanosekunden kann der Chip mit zwei Quantenbits eine Datenbank durchforsten – eine Datenbank mit gerade mal vier Einträgen. Das ließe sich natürlich auch im Kopf rechnen. Um wirklich nützlich zu sein, bräuchte man einen Quantenprozessor mit deutlich mehr als zwei Quantenbits. Und genau hier verspricht das Konzept von Di Carlo einen Vorteil gegenüber anderen Ansätzen:
"Im Prinzip ist es erweiterbar. Man kann sich vorstellen, wirklich viele Qubits auf einem Chip unterzubringen. Kurzfristig dürfte es kein Problem sein, einen Schaltkreis mit drei oder vier Quantenbits hinzubekommen. Und das wäre schon interessant, um die Grundlagen eines Quantencomputers weiterzuentwickeln. Aber bis zu einem wirklich brauchbaren Quantenrechner ist der Weg noch weit. Da sind noch einige Hürden zu nehmen."
Das Hauptproblem: Qubits sind sensibel. Bereits kleinste Störungen genügen, und sie verlieren ihre Information. Der Quantenchip von Leonardo Di Carlo schafft es nur für eine millionstel Sekunde, seine Information zu halten. Eine Zeitspanne, die die Forscher noch deutlich steigern müssen.