Die faszinierende Welt der Quanten

Fortschritt?
Das Quanten-Bit
    In der Quantenphysik bekommt die Grundeinheit der Information eine neue Bedeutung: Aus dem Bit wird das Qubit (gesprochen Kjubit). Während ein klassisches Bit sich jedoch für einen Zustand entscheiden muss, existiert das Qubit als Superposition aller möglichen Zustände, es ist also 0 und 1 und irgend etwas dazwischen gleichzeitig.
    Die Theoretiker symbolisieren das gern durch die Bloch-Kugel (rechts). Die klassischen Werte 0 und 1 werden durch Pfeile durch den Nord- und den Südpol dieser Kugel dargestellt. Das Qubit kann aber auch alle anderen Werte annehmen, die auf der Kugeloberfläche liegen. Auf den ersten Blick könnte man deshalb vermuten, dass sich in einem Qubit unendlich viele Informationen verstecken lassen. Denn die Kugeloberfläche bietet ja Platz für alle möglichen Kombinationen von Werten. Ganz so leicht macht es uns die Quantentheorie aber dann doch nicht. Denn wir erinnern uns: Bei einer Messung wird aus der Überlagerung von Zuständen schließlich doch wieder ein ganz konkreter Zustand, ein klassisches Bit, entweder 0 oder 1. Mit welcher Wahrscheinlichkeit man 0 oder 1 misst, das wird allerdings durch die vorherige, uns außerhalb der Messung verborgen bleibende Zustandsmischung definiert.

    Bild 23: Die Bloch-Kugel dient zur Darstellung eines Quantensystems aus zwei Zuständen
    Mit einem einzelnen Qubit ist deshalb praktisch noch nicht viel anzufangen. Wir brauchen ein weiteres Phänomen der Quantenphysik, die Verschränkung . Gelingt es, zwei Qubits miteinander zu verschränken, ist ihr gemeinsamer Zustand eine Überlagerung aller Einzelzustände. Wenn wir nun mit dieser Bit-Kombination rechnen, führen wir unsere Rechnung nicht an einem einzelnen Satz von Werten aus, sondern an allen möglichen Werte-Kombinationen gleichzeitig. Bei zwei Qubits sind das zwar nur vier Kombinationen, doch die Zahl wächst exponentiell mit der Zahl der verschränkten Qubits.
    Forscher haben schon vor einiger Zeit gezeigt, dass sich darauf aufbauend ein sehr leistungsfähiger Computer konstruieren lässt, der klassische Rechner in bestimmten Disziplinen um Längen schlägt. Allerdings stellte es die Wissenschaftler vor große Schwierigkeiten, so ein Gerät zu konstruieren. Aus den vorhergehenden Kapiteln wissen Sie ja noch, dass Quanten-Systeme sehr fragil sind. Damit sie als Quanten-Computer nutzbar sind, müssen sie zudem sich widersprechenden Anforderungen genügen: Einerseits müssen die einzelnen Qubits gut voneinander und von der Umgebung isoliert sein, um nicht der Dekohärenz anheim zu fallen, also ihre Quanteneigenschaften zu verlieren. Andererseits müssen die Qubits untereinander verschränkt sein und sich mit Messungen auslesen lassen – ein Computer, dessen Ergebnisse man nicht deuten kann, hilft nicht wirklich weiter. Weltweit forschen Teams derzeit daran, wie sich all diese Anforderungen am besten umsetzen lassen. Jede der im folgenden geschilderten Techniken hat dabei ihre Vor- und Nachteile. Wer in 20 oder 30 Jahren das Rennen machen wird, ist noch lange nicht klar. Gemeinsam haben die Verfahren, dass sie sehr niedrige Temperaturen benötigen: nahe dem absoluten Nullpunkt. Allein dafür mussten sich die Forscher bereits jede Menge neuer Technologien ausdenken.

    Bild 24: Versuchsanordnung mit grünem Laser, mit der Wiener Forscher das optische Quanten-Computing verbessert haben
Rechnen mit Licht
    Es gibt viele Wege, einen Quantencomputer zu konstruieren. Ein geeignetes System muss fünf Kriterien erfüllen, die erstmals der IBM-Forscher David DiVincenzo formuliert hat (deshalb nennt man sie auch DiVincenzo-Kriterien):
man braucht ein Qubit , also ein quantenphysikalisches System mit einer Überlagerung aus zwei gut trennbaren Zuständen
es muss möglich sein, die Qubits in einen definierten Anfangszustand zu versetzen
die Qubits müssen sich auslesen lassen
es müssen Rechenoperationen an den Qubits möglich sein
die Zeit, in der die Qubits ihre Quanten-Eigenschaften verlieren, muss länger sein als die Zeit, die man für einen Rechenschritt inklusive Vorbereitung und Auslesen braucht
    Es bietet sich an, mit dem System zu starten, das in der Quantenphysik zuerst die Aufmerksamkeit der Forscher bekam: mit dem Licht. Das so genannte optische Quanten-Computing hat den Vorteil, dass verschränkte Lichtteilchen (Photonen) schnell und billig herzustellen sind. Kein anderes System lässt sich so sauber verschränken wie die Photonen. Was jedoch nicht so simpel ist: die