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Computertechnik: Erster elektronischer Quantenprozessor entwickelt

Unglaublich schnell und speicherstark sollen die Computer der Zukunft sein. Doch die Entwicklung der sogenannten Quantenrechner geht nur langsam voran. Nun ist US-Forschern aber ein entscheidender Schritt gelungen, die Technologie eines Tages praktisch nutzbar zu machen.

Während klassische Computer sozusagen Nullen und Einsen - ein Bit, Strom oder kein Strom - als kleinste Informationsbestandteile haben, liegen die Dinge bei Quantencomputern etwas komplizierter. Sie codieren größere Datenmengen nicht aus einzelnen Bits, sondern können mit vielen sogenannten Quantenzuständen gleichzeitig arbeiten, die Forscher sprechen von der Superposition der Quantenbits, kurz Qbits.

Erster elektrischer Quantenprozessor: Zwei Algorithmen ausgeführt
Blake Johnson / Yale University

Erster elektrischer Quantenprozessor: Zwei Algorithmen ausgeführt

Wissenschaftler versprechen seit Jahren, mit dieser gedanklich nicht gerade einfach zu fassenden Technologie eines Tages Quantencomputer mit Geschwindigkeiten und Speichergrößen zu bauen, die aktuelle Rechnermodelle um Längen abhängen.

In der Praxis stellt sich der Bau solcher Leistungs- und Speicherwunder eher schwierig dar, US-Forschern scheint nun aber ein wichtiger Schritt gelungen zu sein. Eine Wissenschaftlergruppe um Leonardo DiCarlo von der Yale University in New Haven berichtet im Fachmagazin "Nature", sie hätten den ersten elektronischen Quantenprozessor hergestellt.

Mit einfachen Programmen, sogenannten Quantenalgorithmen, könne der neue Chip zwei Arten von Problemen lösen, schreiben die Forscher. Im Prinzip sind bereits in früheren Experimenten solche Quantenalgorithmen ausgeführt worden. Das fand allerdings in hochkomplizierten Experimentieranordnungen statt, bei denen zum Beispiel Laser oder starke Magnete zum Einsatz kamen - also nicht, was sich der Computernutzer der Zukunft so ohne weiteres auf den Schreibtisch stellen würde.

Eine Mikrosekunde Zeit

Deswegen versuchten die Forscher um DiCarlo, sich mehr an den herkömmlichen Computern und ihrer Produktion zu orientieren. Ihr Prozessor, so schreiben die Wissenschaftler, sei mit Technologien hergestellt worden, die denen bei der Herstellung derzeitiger Computerchips aus Silizium sehr ähnlich sind. Sie verwenden eine hauchdünne Aluminiumscheibe, die mit einem Film des Schwermetalls Niob bedampft ist. In diese Niobstruktur ätzten die Forscher kleine Lücken. Kontrolliert wurde das Ganze über Mikrowellenstrahlung einer bestimmten Frequenz.

Die Quantenbits des Computers, kurz Qbits, bestehen aus etwa einer Milliarde Aluminiumatomen, die sich aber wie ein einziges Teilchen verhalten - und verschiedene Energiezustände annehmen können. Die Qbits waren für eine Mikrosekunde verschränkt. So lange konnten sie die Quantenalgorithmus ausführen.

Der neue Quantenchip wurde mit zwei verschiedenen Problemstellungen gefüttert:

  • Grover-Algorithmus: Bei dieser Aufgabe geht es zum Beispiel darum, aus einem Telefonbuch einen Namen herauszufinden, von dem man nur die Telefonnummer kennt. Der neue Chip löste diese Aufgabe in 80 Prozent der Fälle richtig.
  • Der Deutsch-Josza-Algorithmus: Bei diesem, bei der Demonstration von Quantentechnologie beliebten Problem, muss der Computer entscheiden, ob eine Münze für Münzwurfexperimente fair gestaltet ist oder nicht. Also anders gesprochen: Ob eine Münze auf einer Seite Kopf und auf der anderen Seite Zahl hat - oder ob beide Seiten einen Kopf zeigen, was ohne Zweifel unfair wäre, gerade wenn man vorhatte auf Zahl zu setzen. Diesen Algorithmus konnte der Quantenrechner in 90 Prozent der Fälle fehlerfrei lösen.

Der neue Chip ist noch sehr einfach und stellt nur einen weiteren Schritt auf dem Weg zu praktisch nutzbaren Computern der Zukunft dar, geben Forscherkollegen wie der Niederländer Hans Mooij von der Delft University of Technology zu bedenken. Auch DiCarlo will noch längst nicht von einem Quantencomputer sprechen.

Außerdem, so gibt der Forscher im Gespräch mit "Nature News" zu bedenken, bedürfe sein Quantenprozessor immer noch eines vergleichsweise großen Aufwands - schließlich müsse er für die Supraleitung beinahe bis zum absoluten Nullpunkt heruntergekühlt werden, der bei -273,15 Grad Celsius liegt. Die dafür nötige Kühltechnik würde wohl ebenfalls nicht auf einen Schreibtisch passen. Viel bleibt also noch zu tun auf dem Weg zum Computer der Zukunft.

chs

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