Zeitalter der Quanteninformation kommt!
Ein Wirrwarr von Datenkabeln erstreckt sich über den Köpfen. Vakuumpumpen summen. Digitale Anzeigen blinken auf den Fronten zahlreicher Messgeräte. Ein ganzer Wald aus handgroßen Blenden und Linsen, Prismen und Spiegeln erhebt sich ohne erkennbare Ordnung auf der mit Gewindebohrungen durchlöcherten Stahlplatte eines Lasertischs. Auf den Bruchteil eines Mikrometers genau lenken die Gerätschaften für das bloße Auge unsichtbares Laserlicht in eine silbrig glänzende Stahlkammer.
Das Ergebnis des ganzen Aufwandes ist ein einziges Byte. Das allerdings hat es gewaltig in sich: Es ist kein gewöhnliches Paket aus acht Nullen und Einsen, sondern ein „Quantenbyte“ das erste der Welt. Denn während herkömmliche Mikroprozessoren heute routinemäßig mehrere Millionen Bytes handhaben können, steht die Entwicklung bei Quantencomputern noch ganz am Anfang. „Wir gehen hier einen ganz neuen Weg in der Informationsverarbeitung“, sagt Rainer Blatt, Physikprofessor und Geschäftsführer des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) in Innsbruck, an dem das Quantenbyte realisiert wurde.
Die Erwartungen sind gigantisch: Quantencomputer sollen Verschlüsselungscodes knacken, indem sie riesige Zahlen in ihre Primfaktoren zerlegen oder nichtlineare Optimierungsprobleme lösen, an denen klassische Computer sich die Zähne ausbeißen. In ihnen regiert nicht mehr schlichtes „Ja“ oder „Nein“, „0“ oder „1“, sondern ein „Sowohl, als auch“. Damit können massenhaft Rechenschritte auf einmal vorgenommen werden.
„Mit nur 30 Qubits können bereits klassische Computer geschlagen werden“, sagt Peter Zoller, ebenfalls Professor am IQOQI. Die Sache hat aber einen Haken: Die Qubits, mit denen ein Quantencomputer rechnen soll, sind – ganz unabhängig von ihrer konkreten physikalischen Realisierung – gemäß den merkwürdigen Gesetzen der Quantenmechanik äußerst fragile Gebilde. Jede Interaktion mit der Umgebung, selbst die für die Berechnung notwendigen Manipulationen, kann sie zerstören. Bei jedem Quantencomputer- Experiment steht deshalb neben der Zahl der realisierten Qubits auch das Verfahren auf dem Prüfstand: Ist es robust und skalierbar, könnte man das Kunststück im Prinzip auch mit ganz vielen Qubits wiederholen? Um das zu gewährleisten, arbeiten die Innsbrucker Forscher mit elektromagnetischen Feldern, in denen einzelne Ionen eingesperrt werden können eine so genannte Paul-Ionenfalle, in der die Ionen zunächst von Laserstrahlen gebremst und dann wie Perlen auf einer Schnur aufgereiht werden. Aber das macht noch nicht das Qubit: Dafür müssen gezielte Laserpulse jedes Ion in einen Überlagerungszustand bringen – damit ist das gewünschte „Sowohl , als auch“ erreicht. Mit weiteren Laserpulsen koppeln die Forscher dann alle acht Qubits aneinander, sodass sie alle gemeinsam in einen größeren Überlagerungszustand mit 2 hoch 8 möglichen Zuständen geraten; ab hier lässt sich von einem Quantenbyte sprechen. Dieser multi- ple Zustand, und darin liegt die besondere Leistung der Innsbrucker Forscher, ist ausgesprochen robust: Er geht selbst dann nicht verloren, wenn man eines der Ione komplett wegnimmt. Das ist zwar nicht das Ziel, bedeutet aber, dass man die Ione fast nach Herzenslust manipulieren kann, ohne dass das Quantenbyte Schaden nimmt. Zugleich sind die Qubits „verschränkt“: Eine Änderung des Zustandes an einem von ihnen wirkt sich in gleicher Weise auf alle anderen aus. Das ist eine entscheidende Voraussetzung für spätere echte Quantencomputer mit ihrer Fähigkeit zur massiven Simultanberechnung.
Dies ist eine so genannte Paul-Ionenfalle.
„Ein Quantencomputer mit nur 300 Atomen kann mehr Zustände auf einmal darstellen, als es Atome im Universum gibt“, erklärt Zoller. Und der Wettlauf für Computer mit mehr Qubits ist in vollem Gang: Als die Innsbrucker im April 2005 über ein erfolgreiches Experiment mit sechs Qubits berichteten, machte sich auch David Wineland vom amerikanischen National Institute of Standards daran. Das IQOQI legte auf acht nach, beide Gruppen verständigten sich dann darauf, ihre Ergebnisse zeitgleich Anfang Dezember im Fachblatt „Nature“ zu veröffentlichen.
„Hier gibt es eine kritische Masse an guten Forschern aus allen Generationen“, versucht sich Geschäftsführer Blatt an einer Erklärung für den Vorsprung. Neben seiner Arbeitsgruppe und den Theoretikern Zoller und Hans-Jürgen Briegel erforscht in Innsbruck ihr Kollege Rudolf Grimm die Quantenphänomene von ultrakalten Superatomen, den Bose-Einstein-Kondensaten. Kombiniert mit so genannten optischen Gittern, etwa aus speziell justierten Laserstrahlen, gelten sie als Kandidaten für Quanten-Speicher. Der Erfolg überzeugt offensichtlich auch die Geldgeber. So investierte die öffentliche Hand in Österreich etwa 15 Millionen Euro in das 2003 gegründete IQOQI. Derzeit verlagern die Quantenforscher ihre aufwendig justierten Experimente in den Neubau des Instituts. Doch bis alle Linsen, Vakuumkammern und Laser wieder an ihrem rechten Platz sitzen, vergehen möglicherweise noch bis zu drei Jahre. Daher pendeln die Forscher heute noch zwischen Uni-Institut und Neubau. Auch die EU setzt mit dem Projekt „Quantum Information Processing and Communication“ (QIPC) einen Forschungsschwerpunkt auf die Quanteninformatik. Schon im 6. Forschungsrahmenprogramm flossen erste EU-Gelder in diesen Bereich. Selbst die Vereinigten Staaten halten Blatts Forschungen für förderungswürdig. Über die ARDA (Advanced Research and Development Activity), die Grundlagenforschung auch schon mal über die US-Staatsgrenzen hinaus fördert, erhält Blatt über drei Jahre rund eine Million Dollar. „Es gibt überhaupt keine Auflagen“, versichert der Physiker, „sonst hätte ich es nicht gemacht. Die wollen einfach auf dem Laufenden bleiben.“
„Wir sind gerade erst bei Konrad Zuse angelangt“, dämpft Blatt allerdings die Erwartungen. Der Vergleich mit dem Frühstadium heutiger Computer trifft: Konrad Zuse konnte 1938 mit seiner mechanischen Rechenmaschine Z1 gerade mal einige Zahlen multiplizieren. Wie und ob sich daraus leistungsstarke Computer für die unterschiedlichsten Anwendungen entwickeln würden, war damals überhaupt noch nicht abzusehen. Dieses Mal wird immerhin die Bedeutung früh gesehen: „Stand im letzten Jahrhundert die Elektrotechnik im Mittelpunkt, wird das 21. Jahrhundert das Zeitalter der Quanteninformation“, sagt Blatt voraus.
Text entnommen aus Technology Review Nr. 1/2006;
Es ist nur noch eine Frage der Zeit, bis solche Quantencomputer optimiert worden sind für den Haus gebrauch, man errinere sich doch an einen Z1.
Wi!!iam Wa!!ace
@ Z1: jo ok das stimmt
Foxie
hehe, doch, im Technikum Berlin, hets ä Z1 (und es paar anderi), funktioniert zwar leider nid, abr isch ächt iidrücklich; i bin letscht Uffert dört gsi 😀
Freidenker
ääähhh… isch das in berlin nid e Z3?!
Foxie
hets au eini, d Z1 funzt nid, und isch es replilkat
Capt. Crakkstuh
fettes gerät alte
aber i glaub keine vo uns erinnert sich an‘ z1. me hett ghoert und glese 🙂