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Erster Quantencomputer aus fünf Qubits

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Weltweit streben Wissenschaftler danach, Quantencomputer aus möglichst vielen Quantenbits (Qubits) in den Labors herzustellen. Der Rekord stand bislang bei mageren drei, jetzt konnten Forscher der Universitäten in Frankfurt, München, Boston (Harvard) und der Firma Bruker Analytik einen Quantenrechner aus immerhin fünf Qubits bauen, wie das Fachblatt Physical Review A berichtet (R. Marx et al, Phys. Rev. A 62, July 2000, Artikel 012310). Für jedes Qubit steht ein Atom zur Verfügung, wobei alle fünf zu einem Molekül gehören. Mit Kernspinresonanz ähnlich der, wie sie von Untersuchungen im Krankenhaus bekannt ist, werden die Atome magnetisch angeregt, sodass sie sich gleichzeitig in zwei Zuständen befinden. Diesen "Geisterzustand" nennt man Qubit.

Damit der Quantenrechner funktioniert, müssen die Qubits miteinander in Verbindung treten. Genau das ist eine der beiden Hauptschwierigkeiten beim Bau eines Quantenrechners und der Grund, warum man bislang nur mühsam erst wenige Qubits herstellen konnte. Das andere Problem: Die Qubit-Zustände und deren Wechselwirkungen reagieren äußerst empfindlich auf äußere Störungen. Schon nach kurzer Zeit sind die Zustände zerstört – und der Quantencomputer ist damit kaputt. Doch der Traum von einer noch nie dagewesenen Rechenleistung und einem massiven Parallelrechner motiviert die beteiligten Forscher, diese Schwierigkeiten anzupacken: Das Qubit-Register vereinigt alle möglichen Zustände in sich, nicht nur einen einzigen wie beim "klassischen" Rechner. Eine Rechenoperation wirkt dann auf alle Permutationen gleichzeitig.

Zwar ist das nun vorgestellte Ergebnis der Forscher aus Deutschland und den USA der bislang einzige Quantencomputer aus fünf Qubits, doch konnten bereits im Januar Wissenschaftler der Universität Michigan in Ann Arbor mit einem ganz anderen Ansatz acht Zustände miteinander verbinden. Statt verschiedene Qubits miteinander zu verschränken, nahmen sie ein einziges Atom. Sie regten mit sehr kurzen Laserpulsen darin acht langlebige Zustände (Rydberg-Zustände) gleichzeitig an – sozusagen das oktale statt digitale Qubit.

Wie ein Quantenrechner letztendlich aussieht, ist auch nach dem Erfolg des Kernspinresonanz-Experiments völlig offen. Zu viele Probleme gilt es noch zu lösen. Das fängt bei der optimalen Hardware an (ob Moleküle mit Kernspinresonanz, Atome in der Atomfalle oder Rydberg-Zustände) und hört bei der Suche nach geeigneten Algorithmen nicht auf. (jr)

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