Wenn man nach einer Telefonnummer sucht, dann ist es in der Regel kein Problem, sie im Telefonbuch zu finden ? zumindest, wenn man den Namen des Teilnehmers kennt. Umgekehrt den passenden Teilnehmer zu einer bestimmten Nummer zu finden, ist da schon viel schwieriger. Einem internationalen Physikerteam um Anton Zeilinger von der Universität Wien und Harald Weinfurter vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching ist jetzt die Realisierung des ersten Einweg-Quantencomputers gelungen, der diese Aufgabe innerhalb kurzer Zeit erledigen kann. Die Forscher stellen ihr Experiment im Fachmagazin Nature (Bd. 434, S. 169) vor.
Telefonbücher sind zwar alphabetisch nach Namen sortiert, aber nicht nach Telefonnummern. Sucht man in einem Telefonbuch mit einer Million Einträgen nach einer bestimmten Nummer, dann gibt es dazu nur eine erfolgversprechende Strategie: Man sieht alle Einträge der Reihe nach durch, bis man auf die gesuchte Nummer stößt. Wenn man Glück hat, ist der gesuchte Eintrag einer der ersten, im ungünstigsten Fall muss man alle eine Million Einträge durchsehen. Im Mittel wird man 500.000 Einträge durchsehen müssen, bis man fündig wird.
Ein herkömmlicher Computer schafft dies natürlich relativ schnell, aber seine Methode ist die gleiche: Auch dem Computer bleibt nichts anderes übrig, als die Einträge so lange durchzusehen, bis er auf den richtigen stößt. Hat der Computer eine Aufgabe zu erledigen, bei der er nicht eine Million, sondern eine Billion, eine Trillion oder noch mehr Einträge durchsehen muss, dann wird die Suche auch für ihn eine langwierige Angelegenheit.
Im Jahr 1996 hat Lov Grover von den Bell Labs jedoch theoretisch gezeigt, dass ein Quantencomputer eine derartige Suchaufgabe sehr viel schneller erledigen könnte als ein herkömmlicher Computer: Während dieser nämlich im Mittel die Hälfte der Einträge durchsehen muss, muss der Quantencomputer nur die Wurzel aus der Anzahl der Einträge durchsehen ? im Fall des Telefonbuchs also 1000 Einträge.
Dies hängt mit den skurrilen Gesetzen der Quantenmechanik zusammen, die in zukünftigen Quantencomputern genutzt werden sollen. Informationen sollen dann nicht wie in herkömmlichen Computern in Bits, sondern in Qubits gespeichert werden. Während ein Bit nur die Information “0” oder “1” aufnehmen kann, kann ein Qubit auch alle möglichen Mischungen aus “0” und “1” repräsentieren. Beispielsweise kann ein Qubit die Information tragen, dass es mit einer Wahrscheinlichkeit von 30 Prozent die “0” repräsentiert und mit einer Wahrscheinlichkeit von 70 Prozent die “1”.
Dem Team um Zeilinger und Weinfurter ist es nun gelungen, das im Jahr 2001 von Hans Briegel und Robert Raussendorf von der Universität Innsbruck vorgeschlagene Konzept des Einweg-Quantencomputers erstmals in die Praxis umzusetzen. Der eigentliche Computer bestand dabei aus vier miteinander verschränkten Photonen, also Lichtteilchen. Die von Albert Einstein “spukhafte Fernwirkung” genannte Verschränkung besagt, dass sich die vier Photonen in einem gemeinsamen Quantenzustand befinden. Die Folge ist, dass ihre Eigenschaften untrennbar miteinander verbunden sind.
Die Informationen, also die Qubits, sind nicht in den vier Einzelphotonen gespeichert, sondern jedes einzelne Qubit ist nicht-lokal über alle vier Photonen “verteilt”. Wegen der Verschränkung sind die Einzelinformationen derart miteinander verquickt, dass sie mit dem von Grover vorgeschlagenen Algorithmus viel schneller durchsucht werden können. Beim Suchvorgang werden die ursprünglichen Qubits verändert ? deshalb der Name “Einweg-Quantencomputer”.
In ihrem Experiment ging es den Forschern darum, zunächst einmal die prinzipielle Machbarkeit des Einweg-Quantencomputers zu beweisen. In den Qubits ihrer vier Photonen konnten sie nur vier Einträge speichern ? und anschließend durchsuchen. Jedoch lässt ihr System Erweiterungen zu. Jeweils vier Photonen können als Untereinheit betrachtet werden, die wiederum mit einer anderen Untereinheit verschränkt wird. Somit könnte aus vielen aneinandergekoppelten Untereinheiten ein voll funktionsfähiger Quantencomputer aufgebaut werden.
Axel Tillemans
