NOT Logic in der Quantenwelt

Neue Entwicklung im Bereich des Quanten-Computing

Internationalem Team von Physikern ist es gelungen, sich dem binären Code in der Quantenwelt zu nähern.

Korrelierte Photonen, Bild

In der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Nature berichten F. De Martini von der Universität La Sapienza und V. Buzek, F. Sciarrino und C. Sias von der Slowakischen Akademie der Wissenschaften über ihre Entdeckung eines annähernd universellen NOT-Gates auf der Ebene der Quanten.

In einem herkömmlichen Rechner steuert das so genannte NOT-Gate (auf Deutsch auch als NOT-Gatter bezeichnet) das Bit einer Informationen durch Umschalten zwischen den Werten 0 und 1. NOT-Gates sind also Schalter, die jeweils auf die Eingabe einer 1 mit einer 0 und umgekehrt antworten, bzw. sie ausgeben. Das passiert mithilfe elektrischer Pulse und einfacher Gerätschaften wie Transistoren in jedem Computer unzählige Male während eine Aufgabe bearbeitet wird.

In der Quantenwelt funktioniert das nicht entsprechend. Ein Quanten-Bit kann gleichzeitig in einer Superposition zwei logische Zustände inne haben. Das gehört wie Schrödingers Katze zu den für den normalen Verstand besonders verwirrenden Eigenschaften der Quanten (vgl. Quanten im Chaos). Genau auf dieser Eigenart beruht die Grundidee des Quantencomputers, denn die Superposition von Zuständen soll es möglich machen, simultan verschiedene und gleichzeitig mehrere Rechenschritte durchzuführen. Dadurch wären diese Supercomputer, von denen die Physikerwelt träumt, den heutigen Rechnern weit überlegen, und das sowohl bezüglich ihrer Kapazität wie ihrer Geschwindigkeit. Während die klassischen Computer nacheinander ihre Rechenaufgaben absolvieren, würden die Quantenrechner sie sozusagen neben-, unter- oder übereinander lösen.

Der Raum des Zustands des Quantenbits entspricht der Poincaré-Sphäre, Bild

Die Anforderung lautet in der verwirrenden Welt der Quantenmechanik darum, die Superposition in ihr Gegenteil zu verwandeln und umgekehrt. Theoretisch war das schon vorhergesagt worden, aber dem Team um De Martini ist es nun experimentell gelungen, eine annähernd universellen NOT-Operation von Quanten-Bits zu erreichen. Sie benutzen Laserstrahlen statt elektrischer Pulse. Die Teilchen des Laserlichts, die Photonen, können verschiedene Zustände von Polarisation annehmen, die durch mechanische Hilfsmittel wie z.B. Spiegel auch gesteuert werden können. Die neue Apparatur von der Gruppe um De Martini beruht auf einer relativ einfachen Versuchsanordnung aus Kristallen, durch die der Laserbeam geschickt wird, Spiegeln und Detektoren. Sie nennen es einen "Optical Parametrical Amplifier" (OPA).

Entscheidend ist, genau zu messen, welchen Zustand das Photon beim Input und dann nach dem Passieren des NOT-Gates hat. Der Polarisations-Zustand des Teilchens kann geometrisch als Punkt auf der Poincaré-Sphäre angegeben werden. Perfekt wäre der Quanten-NOT-Gate wenn es möglich wäre, jeden Punkt der Sphäre durch den genau diagonal gegenüberliegenden zu bezeichnen. Aber so perfekt funktioniert die Quantenwelt eben nicht. Deshalb spielt in ihr der Begriff der größtmöglichen Annäherung an das Maximum, "Fidelity" genannt, eine wichtige Rolle.

Wie Nicolas Gisin von der Universität Genf in seinem begleitenden News&Views-Artikel in der selben Ausgabe von Nature ausführt, erreicht das Team fast die theoretisch als maximal zu erreichenden Werte. Die liegen bei 2/3, bzw. 0,666; der "Optical Parametrical Amplifier" erreichte in der Messung 0,630.

Gisin ist überzeugt, dass sich das Verfahren für künftige praktische Anwendungen eignet und er kommt zu dem Fazit:

http://www.heise.de/tp/artikel/13/13477/1.html