Ein halber Quantencomputer

21.12.2012

Bosonen-Sampling verspricht, mit einzelnen, quantenphysikalisch wechselwirkenden Photonen deutlich schnellere Rechenoperationen als klassisch möglich - und vermeidet gleichzeitig die Nachteile des Quantencomputers

Der Quantencomputer gilt als der Heilige Gral der Physiker - seine praktische Umsetzung als beinahe allmächtiger Universal-Rechner lässt aber auf sich warten. Das liegt an den leider erheblichen Hindernissen bei seiner Umsetzung.

Ein geeignetes System muss fünf Kriterien erfüllen, die erstmals der IBM-Forscher David DiVincenzo formuliert hat (deshalb nennt man sie auch DiVincenzo-Kriterien):

Man braucht ein Qubit, also ein quantenphysikalisches System mit einer Überlagerung aus zwei gut trennbaren Zuständen.

Es muss möglich sein, die Qubits in einen definierten Anfangszustand zu versetzen.

Die Qubits müssen sich auslesen lassen.

Es müssen Rechenoperationen an den Qubits möglich sein.

Die Zeit, in der die Qubits ihre Quanten-Eigenschaften verlieren, muss länger sein als die Zeit, die man für einen Rechenschritt inklusive Vorbereitung und Auslesen braucht.

Die Physiker arbeiten parallel an allen fünf Voraussetzungen. Dabei sind sie bei den ersten vier schon recht gut vorangekommen. Problematisch ist nur, dass Verschränkungen so heikle Zustände sind und deshalb Kriterium Fünf so schwer in praktisch nutzbare Bereiche zu skalieren ist. Jedenfalls, wenn man auf Systeme setzt, die bei den anderen Bedingungen gut abschneiden. Es wundert deshalb nicht, dass die Forscher auch nach Alternativen suchen, die dem Quantencomputer zwar nicht das Wasser reichen können, dafür aber leichter umzusetzen sind und immer noch Vorteile gegenüber dem klassischen Rechner besitzen.

Anzeige

Zu diesen Techniken gehört das so genannte Bosonen-Sampling, das im Grunde nur drei Zutaten braucht: einzelne Bosonen (also Teilchen mit ganzzahligem Spin), die Möglichkeit, diese zu manipulieren und interagieren zu lassen, sowie Detektoren, die nach der "Rechenoperation" den Zustand dieser einzelnen Bosonen wieder auslesen. Ein sehr pflegeleichtes Boson ist das Photon. Deshalb lässt sich ein Bosonen-Sampling-Computer auch mit aktuellen Mitteln einfach umsetzen, wie es der Quantenphysiker Philipp Walter von der Universität Wien beschreibt:

Man nimmt Lichtteilchen und lässt sie durch komplizierte Strukturen laufen, sodass die Wege sich überlagern und viele quantenmechanische Überlagerungen der möglichen Wege entstehen. Das statistische Ergebnis, wie die Bosonen sich verteilen, also wo welche Bosonen am Ausgang zu finden sind, ist dann leicht herauszufinden: man braucht nur mit einem Detektor nachzuschauen.

Deshalb ist es auch kein Zufall, dass das Wissenschaftsmagazin Science in diesen Tagen gleich zwei Paper online veröffentlicht, die eine praktische Umsetzung des Bosonen-Sampling beschreiben. Artikel Nummer 1 kommt von britischen Forschern. Die zweite Veröffentlichung haben australische Wissenschaftler formuliert. Beide nutzen einen optischen "Chip" unterschiedlicher Komplexität.

Beiden Teams gelingt es dabei nachzuweisen, was mit einem Eingabezustand passiert, der innerhalb des photonischen Chips einer Transformation unterworfen wird. Außerdem können die Forscher zeigen, dass ihr Verfahren schneller als bei klassischer Berechnung funktioniert, selbst wenn man noch zusätzlich die Aufgabe stellt, die Vorschriftsmäßigkeit der Rechenoperation (Transformation) nachzuweisen.

Der acht Zentimeter lange photonische Chip in der Mitte der Anordnung diente im Versuch der britischen Forscher als Vier-Photonen-QBSM

Bis zur praktischen Umsetzung eines Bosonen-Sampling-Computers dürfte deshalb nicht mehr allzu viel Zeit vergehen. Die beiden Science-Paper rechnen noch mit einer einstelligen Zahl von Bosonen und wenigen Wegen. Doch schon wenn bei einem System etwa 20 Lichtteilchen mehrere Hunderte Wege oder Bahnen nehmen können, lässt sich das statistische Ergebnis nicht mehr mit konventionellen Supercomputern vorhersagen.

Da sich die Resultate auf andere Systeme mit Bosonen übertragen lassen, ist der Bosonen-Sampling-Computer, so Quantenforscher Walther, "einer der effizientesten Wege, mit relativ wenig Quantenressourcen spezielle Quantencomputer zu bauen, die in absehbarer Zeit die besten konventionellen Computer übertrumpfen können".

Wie ein Quantencomputer funktioniert, beschreibt der Autor in "Die faszinierende Welt der Quanten", erhältlich für Kindle, für iPad, für ePub-Reader und als PDF.

x
service:
drucken
versenden
facebook
twitter
google+
rss
newsletter
folgen:
facebook
twitter
google+
rss
newsletter
http://www.heise.de/tp/artikel/38/38238/
Anzeige
>
<

Darstellungsbreite ändern

Da bei großen Monitoren im Fullscreen-Modus die Zeilen teils unleserlich lang werden, können Sie hier die Breite auf das Minimum zurücksetzen. Die einmal gewählte Einstellung wird durch ein Cookie fortgesetzt, sofern Sie dieses akzeptieren.

Telepolis Gespräch

Wege aus der Krise

Sparen, Geld drucken oder Wettbewerbsfähigkeit steigern? Mit Heiner Flassbeck, Professor für Ökonomie.

Am Montag, den 5. Mai im Amerika Haus in München.

Anzeige
Datenschatten Die verspielte Gesellschaft SETI
bilder

seen.by

Anzeige

TELEPOLIS