Ein Taschenrechner, der nur manchmal das richtige Ergebnis liefert, wäre eine Zumutung, schreibt Andrew Shields von Toshiba Europe Research in Cambridge. “Aber was wäre, wenn unser Rechner ein grünes Blinklicht hätte, das anzeigt, dass er diesmal das richtige Ergebnis gefunden hat?” Wie man versucht, die Probleme von Quantencomputern in den Griff zu kriegen, beschreibt Shields in einem Übersichtsartikel im Fachmagazin Science (13.09.2002).
Man hofft, dass Quantencomputer in vielleicht ein bis zwei Jahrzehnten die Informationstechnologie revolutionieren und die Rechenleistung herkömmlicher Rechner um das Millionenfache übertreffen werden. Möglich ist das, weil die quantenmechanischen Gesetze Quantencomputern ein massives Parallelrechnen erlauben.
Quantencomputer speichern ihre Informationen in Qubits. Während die Bits normaler Computer entweder den Wert “0” oder “1” tragen, können Qubits neben diesen Basiswerten zusätzlich beliebige Kombinationen aus diesen beiden Basiswerten annehmen. Ein Qubit kann beispielsweise aus 50 Prozent “0” und aus 50 Prozent “1” bestehen.
Zudem wächst die Anzahl der möglichen Kombinationszustände exponentiell mit der Anzahl der Qubits, das heißt bei drei Qubits gibt es schon zwei hoch drei, also acht Kombinationszustände. Die gleichzeitige Anwendung von Rechenoperationen auf solche Kombinationszustände ergibt die erhoffte Rechenkapazität.
Physikalisch realisiert werden die Qubits als die quantenmechanischen Zustände von physikalischen Teilchen. Zu den aussichtsreichsten Kandidaten gehört das Photon, das Trägerteilchen des Lichts oder allgemeiner aller elektromagnetischer Strahlung. Sein elektrisches Feld kann horizontal (“0”) oder vertikal (“1”) polarisiert sein oder sich in einem beliebigen Kombinationszustand aus beiden Polarisationen befinden.
Der Vorteil von Photonen besteht darin, dass ihr Polarisationszustand relativ leicht gezielt verändert werden kann, was einer Rechenoperation entspricht. Dazu benutzt man dünne Quarzkristallschichten. Seit wenigen Jahren sind Forscher sogar dazu in der Lage, mit Quarzen und einfachen Strahlteilern Rechenoperationen zwischen zwei Photonen durchzuführen. “Photonen, die man durch diese einfachen optischen Apparaturen schickt, können das gewünschte Ergebnis liefern ? aber das tun sie nur manchmal”, schreibt Shields.
Ergebnisse, die nur manchmal richtig sind, sind natürlich vollkommen unbrauchbar ? es sei denn, man hätte ein “grünes Blinklicht”, das wenigstens nachträglich die richtigen von den falschen Ergebnissen unterscheidet. Ein Verfahren, dass dies leistet, haben vor kurzem Emanuel Knill vom Los Alamos National Laboratory und seine Kollegen vorgeschlagen. Diese “Quantenfehlerkorrektur” basiert auf zusätzlichen Photonen, die durch eine ausgeklügelte, aber nach wie vor nur aus einfachen optischen Bauelementen bestehende Apparatur geschickt werden und so mit zusätzlicher Information dafür sorgen, dass nur die richtigen Ergebnisse angezeigt werden.
Axel Tillemans
