Die Roadmap für den Quantencomputer ist schon skizziert, auch wenn erst wenige Zwischenstationen das grüne Symbol für eine erfolgreiche Realisierung tragen. Doch eine wachsende Zahl internationaler Forscher ist überzeugt: Bis zum Jahr 2012 werden so viele Experimente glücken, dass ein wissenschaftlich verwendbarer Quanten-Testrechner laufen kann.
Wichtige Meilensteine auf dem Weg zum Quantencomputer könnten schon deutlich früher erreicht sein, etwa in seiner supraleitenden Ausführung: „Bis zum Jahr 2007 werden wir fünf Qubits miteinander koppeln können”, zeigt sich Prof. Gerd Schön vom Institut für Theoretische Festkörperphysik der Universität Karlsruhe optimistisch. Experimente mit Supraleitern haben in den letzten Monaten bewiesen, dass die zum Rechnen nötigen Materiezustände unter bestimmten Bedingungen tausendmal langsamer zerfallen als bisher bekannt und dass sich solche Qubits – das Wort steht als Abkürzung für „Quantenbits” – auch koppeln lassen, also Informationen austauschen können. „Für die Verwendung supraleitender Bauelemente in Quantencomputern sind das Meilensteine”, freut sich der Physiker aus Karlsruhe, der mit seinen theoretischen Arbeiten vor drei Jahren diese Forschungsrichtung mit angestoßen hat.
Eine Mikrosekunde oder einige Tausend Rechenschritte lang kann die „Phasenkohärenz” der Zustände nun erhalten bleiben – fast eine Ewigkeit für Quantencomputer, deren Zwischenergebnisse ständig vom Verfall bedroht sind: Umgebende Atome kippen zum Rechnen verwendete Spins (Drehimpulse von Elektronen oder Atomkernen), ein spontan emittiertes Photon trägt in seinem Lichtblitz die Information fort. Weltweit suchen daher Wissenschaftler nach Systemen, die Informationen auf subatomarer Ebene speichern, manipulieren und ausreichend lange gegen die feindliche Umgebung abschirmen können. Wie auch immer sie aussehen mögen, sicher ist, dass es Rechner aus einer anderen Welt wären – eben der Quantenwelt, in ihrem Verhalten radikal verschieden von Computern wie wir sie kennen.
Im Vergleich mit herkömmlichen Rechnern lösen Quantencomputer einige Aufgaben in viel weniger Schritten – eine Erkenntnis, die heutige Verfahren zur Datenverschlüsselung bedroht: zum Beispiel das weit verbreitete RSA-Verfahren, bei dem öffentliche und private Schlüssel aus Produkten großer Primzahlen bestehen. Das Hantieren mit solchen Schlüsseln gilt nur deshalb als sicher, weil jeder Rechner große Primzahlen zwar leicht miteinander multiplizieren kann, aber daran scheitert, das Produkt in Primfaktoren zu zerlegen. Denn der Aufwand zum Faktorisieren wächst exponentiell mit der Zahl der Stellen einer Zahl – es sei denn, man setzt Quantenrechner ein (siehe folgenden Beitrag „Die verrückte Welt der Qubits”).
Das Geheimnis der Überlegenheit von Quantencomputern bei solchen Rechenaufgaben liegt in ihrer eingebauten Parallelität. Ein Qubit – beispielsweise realisiert durch einen Spin – kann die Zahlen 0 und 1 gleichzeitig darstellen (siehe Kasten „Entfesselte Quantenpotenz”). „In zwei Qubits bringt man also vier Werte gleichzeitig unter, mit drei Qubits sind es schon acht”, rechnet Dr. Wolfgang Lange vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Garching bei München vor. „30 Qubits entsprechen so vielen gleichzeitig bearbeiteten Zahlen, wie ein PC heute in seinem Arbeitsspeicher hat.”
Wie sich die Fähigkeiten eines Quantencomputers ausschöpfen lassen, ist noch nicht klar. „Man kennt bisher nur wenige interessante Algorithmen für Quantencomputer”, resümiert Dr. Hans Briegel von der Universität München. „Wir fangen erst an zu verstehen, wie sich Quantenkorrelationen zwischen Qubits geschickt zur Lösung von algorithmischen Problemen nutzen lassen.” Gelungen ist dies bisher nur für einige wenige Problemstellungen. „Allerdings orientieren wir uns meist am Strickmuster von klassischen logischen Schaltkreisen”, bemerkt der Theoretische Physiker und vermutet: „Ein tieferes Verständnis der Prinzipien des Quantenrechnens könnte die Situation verändern.”
Ein Quantenrechner mit sieben Qubits hat im Dezember 2001 bereits eine Aufgabe gelöst: Isaac Chuang vom Almaden Research Center der IBM im kalifornischen Silicon Valley nutzte als Rechenmaschine ein paar Tropfen einer eigens dafür geschaffenen Eisenverbindung (C11H5F5O2Fe), deren Fluor- und Kohlenstoff-Kernspins sein Team mit üblichen Kernspinresonanz-Methoden „programmierten”, um die Zahl 15 in ihre Faktoren 3 und 5 zu zerlegen. Allerdings ist ein solcher Molekülcomputer im Reagenzglas ein Auslaufmodell: Mit jedem zusätzlichen Qubit wird das verwertbare Signal schwächer – spätestens bei einem Dutzend Qubits geht die Antwort im Brodeln der Molekülsuppe unter.
Trotz der eingebauten Parallelverarbeitung wird man in der Praxis nicht mit weniger als einigen Tausend Qubits auskommen. Der Grund sind die mit jedem Rechenschritt anwachsenden Fehler. „ Ein Quantencomputer ist so extrem empfindlich, dass er während seines Betriebs nicht beobachtet werden darf”, warnt Wolfgang Lange. Was wie ein Witz klingt, ist bitterer Ernst: Zwischenergebnisse dürfen nicht gemessen werden, weil sonst die Überlagerung der Zustände und die zum Rechnen wichtige Verschränkung der Qubits verloren gehen würden. Konventionelle Verfahren zur Fehlerkorrektur scheiden damit aus. Lange Zeit bezweifelten viele Forscher daher ernsthaft, ob Quantenrechner jemals eine größere Rechnung korrekt zu Ende führen können.
Diese Zweifel haben die Theoretiker ausgeräumt, ihren Sieg über die Quantenfehler allerdings teuer bezahlt. Ohne die Zwischenzustände während der Berechnung zu kennen und zu stören, können zusätzliche Qubits an jeder Station den Fehler aus den Rechen-Qubits „absaugen” und so auf einem tolerierbaren Niveau halten. „Für jedes Qubit benötigt man etwa 20 zusätzliche Qubits zur Fehlerkorrektur”, schätzt Prof. Ignacio Cirac, Direktor am Garchinger MPQ. „Mit insgesamt etwa 200000 Qubits lässt sich also ein nützlicher Quantencomputer für allgemeine Probleme bauen.”
Systeme dieser Größenordnung werden in Garching bereits studiert: Mithilfe stehender Lichtwellen, die sich zwischen Spiegeln hoher Güte bilden, fängt die Arbeitsgruppe von Prof. Theodor Hänsch Atome ein. An rund 150000 Plätzen eines dreidimensionalen Gitters sitzen im Abstand von 425 Nanometern ein oder mehrere Rubidium-Atome auf ihren Gitterplätzen – im Prinzip Kandidaten für einen Quantencomputer der Zukunft. Allerdings lassen sie sich noch nicht zuverlässig als Qubits so kontrollieren, dass sich mit ihnen rechnen ließe.
Physiker könnten jedoch schon viel kleinere Systeme als Quanten-Superrechner nutzen. „Wenn ich ein Modell von einem Metall mit hundert Elektronen berechnen will, geht das nicht mit heutigen Rechnern”, sagt Cirac. „Dagegen würde dafür ein Quantencomputer mit ein paar Dutzend Qubits ausreichen.” Denn die Simulation quantenmechanischer Systeme liefert ein Quantencomputer quasi frei Haus. „Wer vor allem an qualitativen Aussagen interessiert ist, also zum Beispiel, ob ein Material gut leitfähig ist oder nicht, bräuchte vermutlich nicht einmal eine Fehlerkorrektur”, spekuliert Cirac.
Wolfgang Lange erzeugt in seinem Garchinger Labor Systeme dieser Größenordnung: 50 individuell ansteuerbare Magnesium-Ionen verharren aufgereiht in einer Kette zwischen Elektroden, die sie mit elektrischen Feldern auf ihre Plätze zwingen. Solche Ionenfallen halten im Ultrahochvakuum die Qubits bei 0,00005 Grad über dem absoluten Nullpunkt für Stunden stabil. „Wir haben da ein Quantensystem in seiner Reinform”, freut sich Lange. Und kein Gesetz der Physik verbietet Ionenfallen, die Tausende von Teilchen enthalten – allenfalls technische Schwierigkeiten könnten dem entgegenstehen.
Doch zum Rechnen taugen die Ionenfallen noch nicht. Ein quer zu der Teilchenkette eingestrahlter Laserpuls bringt zwar jedes gewünschte Ion gezielt in den Zustand 0, 1 oder – bei halber Einstrahlungsdauer – in die begehrte Überlagerung beider Zustände. „Die Schwierigkeiten fangen jedoch an, wenn zwei Qubits miteinander verknüpft werden sollen”, grenzt der Garchinger Physiker sein Experiment vom Fernziel Quantencomputer ab. „Mit zehn Mikrometern sind die Ionen so weit voneinander entfernt, dass sie wenig von ihren Nachbarn bemerken.” Ohne ihre Quantennatur zu zerstören, könnte die Schwingung der Ionenkette den Informationstransfer bewirken und damit Operationen zwischen beliebigen Ionen ermöglichen, solange sie sich dabei nicht aufheizt. Die Garchinger Wissenschaftler wollen daher künftig leicht per Laserlicht kühlbare Indium-Ionen in die Kette der Magnesium-Ionen einbringen: „Die wirken wie Eiswürfel”, hofft Lange. „Sie sollen verhindern, dass die Rechnung schon nach ein paar Schritten wegen Überhitzung der Ionenkette abgebrochen werden muss.”
Eine Schwierigkeit dieses Ansatzes jedoch bleibt: Ionenfallen lassen sich nicht miniaturisieren. So sind in Wolfgang Langes Labor in einem abgedunkelten Raum Laser und Ionenfallen erschütterungsfrei auf mehreren Tischen montiert, Vakuumpumpen rattern während des Betriebs. „Da bräuchte man auf jeden Fall Systeme auf Festkörperbasis”, sagt Lange. Tatsächlich untersuchen Physiker in der ganzen Welt bereits „Quantenpunkte” in Silizium- oder Galliumarsenid-Halbleitern – Materialien, die auch zur Herstellung von Mikroprozessoren verwendet werden. „Der Stand der Kunst ist noch sehr primitiv, auch wenn theoretische Berechnungen beweisen, dass Spins in Halbleitern genutzt werden können”, gibt Prof. Sankar Das Sarma zu bedenken, Direktor des Zentrums für Festkörpertheorie der Universität Maryland. „Niemand hat bisher Ein- oder Zwei-Bit-Operationen verwirklicht, auch wenn es Fortschritte gibt und eine Forschergruppe im niederländischen Delft der Realisierung von Qubits aus Elektronenspins in Gallium-Arsenid-Quantenpunkten immer näher kommt.”
Auftrieb haben bereits die Forscher erhalten, die supraleitende Tunnelkontakte für einen Quantenrechner favorisieren. Ursache sind jüngste Erfolgsmeldungen, etwa von einem langlebigen kohärenten Ein-Bit-Zustand, von der Realisierung der Fluss-Qubits an Josephson-Kontakten und von der Kopplung zwischen Qubits. Besonders attraktiv ist diese Forschungsrichtung dadurch, dass sich solche Schaltelemente mit bekannten Techniken herstellen und in großer Zahl miteinander kombinieren lassen.
Ob es je funktionstüchtige Quantencomputer geben wird, ist trotz aller Fortschritte im Detail ungewiss. Prof. Serge Haroche, ein anerkannter Experimentalphysiker an École Normale Supérieure und Collège de France in Paris, mahnt zur Bescheidenheit: „Wer solche Rechner aus einzelnen Schaltelementen konstruieren will, erscheint mir wie jemand, der ein tausendstöckiges Kartenhaus anfängt und sagt, dass Luftzug und Vibrationen Phänomene sind, um die man sich nicht zu kümmern brauche.”
KOMPAKT
• Ein einfacher Quantencomputer aus sieben Kernspins einer Eisenverbindung kann bereits simple Rechenaufgaben lösen.
• Beim Knacken von Datenschlüsseln wären Quantencomputer unschlagbar.
• Besonders große Chancen für den Bau eines Quantenrechners versprechen sich die Experten von Schaltelementen aus Supraleitern.
Karlhorst Klotz
