Quantencomputer Physiker entwickeln neues Bauteil für Superrechner

Sie sollen abhörsicher sein, extrem schnell arbeiten und die Rechenprobleme der Zukunft lösen: Von Quantencomputern träumen viele Forscher, noch fehlen aber viele Bauteile. Nun gelang es erstmals, eine universelle Komponente zu entwickeln - ein sogenanntes Quantengatter.

MPI für Quantenoptik/ Stephan Ritter

Reden Informatiker über ihr liebstes Kind, den Quantencomputer, so gehören sie oft einer von zwei Schulen an: Entweder sprechen sie über die sogenannte Quantenkommunikation, bei der Photonen über lange Strecken Informationen übertragen. Oder sie gehören den Verehrern der Quantenberechnung an. Dabei helfen Atome oder Ionen dabei, die Vorteile der Quantenwelt für besonders schnelle und parallel ablaufende Rechenoperationen auszunutzen.

Forschern des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) in Garching ist es mit einem neu entwickelten Bauteil gelungen, beide Schulen näher aneinander zu rücken. Die Wissenschaftler um Andreas Reiserer berichten in der aktuellen Ausgabe der Fachmagazins "Nature" von der Entwicklung eines logischen Bauteils, bei dem Photonen mit Atomen wechselwirken. Erstmals ist den Forschern damit die Realisierung eines Konzepts gelungen, das vor etwa zehn Jahren in der Informatik vorgeschlagen wurde. Die grundlegende Komponente könnte zukünftig helfen, miteinander kommunizierende Quantenrechner zu bauen und aktuelle Beschränkungen von Quantenberechnungen zu umgehen.

"Bisher sind solche Interaktionen nur zwischen benachbarten Teilchen realisiert worden", erklärt Gerhard Rempe, Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik und Mitautor der Studie. "Durch unsere neuen Quantengatter lassen sich aber Wechselwirkungen zwischen beliebigen Teilchen erzeugen - auch über große Distanzen statt nur über Mikrometer." Aus den einfachen "Quantum Gates" ließen sich damit womöglich eines Tages komplizierte Quantenprozessoren und Netzwerke aufbauen. Denn das von den Wissenschaftlern entwickelte Gatter ist universell einsetzbar. Das heißt, dass sich aus ihm theoretisch alle schwierigeren Logikschaltungen bilden lassen - auf Quantenebene, statt wie bisher klassisch mit Elektronen und Transistoren.

Gefangenes Rubidium-Atom beeinflusst Licht

Der Aufbau der Forscher besteht aus einem Rubidium-Atom, das in einer Vakuumkammer zwischen zwei Spiegeln gefangen ist. Tritt ein einzelnes Photon in die Kammer und wird reflektiert, so wird seine Polarisation durch die Eigenschaften des Atom beeinflusst. Sein Zustand wird je nach Ausgangsbedingungen verändert - es wird quasi geschaltet. Mit klassischen Wahrheitstabellen, die die Eingangs- und Ausgangswerte einer Schaltung darstellen, lässt sich ein solcher quantenmechanischer Vorgang aber nicht abbilden. "Die Quantengatter sind komplizierter und können mit beliebigen Überlagerungen von Null und Eins arbeiten", sagt Rempe. "Dementsprechend sehen die Tabellen komplizierter aus."

Heutzutage gebräuchliche Rechner, ganz gleich ob der seit Jahrzehnten laufende Büro-PC oder Großrechner an Universitäten, bestehen zwar auch aus einfachsten logischen Schaltungen, den sogenannten Gattern, die auf kleinster Ebene einfach Rechenoperationen durchführen. Funktionen, die beispielsweise Einsen zu Nullen umdrehen oder Gatter, die zwei Bits zu einem Ausgangswert vereinen, bilden den Kern jedes modernen Prozessors. Statt nur auf Werte wie "1" und "0" beschränkt zu sein, könnten mit sogenannte Quantenbits (Qubits) aus Ionen und Photonen beliebige weitere Zustände dargestellt werden. Da die Quanten zudem noch über die sogenannte Verschränkung miteinander verbunden sind, machen sie parallele Rechenvorgänge möglich, bei dem sich Änderungen an einer Stelle auf das ganze System auswirken. Probleme, die mit heutigen Computern nur nach jahrelangem Rechnen lösbar wären, wären so in Sekunden geschafft.

Rechnen mit Licht und Ionen statt Elektronen

Aber die Quantenwelt bietet noch weitere Vorteile, die die Forscher des MPQ hoffen, irgendwann nutzen zu können. "Die Quantengatter kennen den Zeitpfeil nicht - sie sind umkehrbar", sagt der Physiker Rempe. "Normale Gatter können nicht rückwärts betrieben werden und von den Ausgängen kann also nicht auf die Eingänge geschlossen werden." Die Quanten-Gatter erhalten aber die ursprüngliche Informationen und sind zudem sogar abhörsicher. Denn Quantenbits können nicht unbemerkt ausgelesen werden. Jede Beobachtung oder Messung beeinflusst sie.

Damit löst das mit den Quantencomputern einhergehende neue Feld der Quanten-Kryptografie ein Problem, das es selbst schafft. Denn mit neuartigen Quantencomputern und ihrer großen Rechenleistung ließe sich die heute im Einsatz befindliche Verschlüsselung knacken. Verschlüsselungssoftware basiert auf schwierigen mathematischen Problemen, die sich mit Quanten aber bedeutend schneller lösen ließen als bisher.

Bis zum Einsatz funktionierender Quantenprozessoren, die auf den Schaltungen der Garchinger Forscher basieren, werden allerdings noch einige Jahre vergehen. Das Quantengatter der Forscher stellt nur einen ersten, aber wichtigen Schritt für die Konstruktion der Superrechner dar.

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insgesamt 26 Beiträge
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Seite 1
zila 10.04.2014
1. Meanwhile..
und waehrend in Deutschland gute Grundlagenforschung betrieben wird, kann man woanders schon die ersten Quantenrechner bestellen, etwa bei D-Wave aus Vancouver. Ich denke es ist keine allzu gewagte Prognose dass Deutschland auch bei bei der Quanteninformatik kommerziell kein Bein auf den Boden kriegen wird. In UK (Bristol) gibt es gerade ein Pilotprojekt, wenn man gerade dringend Zugang zu einem Quantenrechner braucht: http://www.bristol.ac.uk/physics/research/quantum/qcloud/ - soviel zu "das Quantengatter der Forscher stellt nur einen ersten, aber wichtigen Schritt für die Konstruktion der Superrechner dar."
roithamer 10.04.2014
2. Wann geht's los?
Ich höre schon seit Jahrzehnten von Quantencomputern, gesehen habe ich bislang noch keinen.
motzer2.0 10.04.2014
3. Bitte vorher schlau machen...
sehr geehrter autor... bitte informieren sie sich vorher... wissenschaftlern ist es bereits gelungen ein quant auszulesen ohne die Übertragung zu beeinflussen
Layer_8 10.04.2014
4. Quantencomputer...
Zitat von roithamerIch höre schon seit Jahrzehnten von Quantencomputern, gesehen habe ich bislang noch keinen.
...gibts eigentlich schon ziemlich lange. In den Gehirnen aller Tiere mit Nervensystem. Das Problem ist halt, diese evolutionäre Entwicklung im Labor, dann zielgerichtet, nachzuvollziehen.
freiheitsglocke 10.04.2014
5.
Zitat von roithamerIch höre schon seit Jahrzehnten von Quantencomputern, gesehen habe ich bislang noch keinen.
Komisch, nicht wahr? Da muss doch tatsächlich etwas erforscht werden, bevor es verwendet werden kann.
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