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Wie funktioniert ein Quantencomputer?

Mehrere Aufgaben können gleichzeitig gerechnet werden

Quantencomputer arbeiten nicht wie konventionelle Computer. Diese nutzen Bits, also Nullen und Einsen. Damit ein Bauteil als ein Bit, also als kleinstmögliche Informationseinheit eines Computers dienen kann, muss es vor allem eine Eigenschaft besitzen: Es muss zwei eindeutig unterscheidbare Zustände einnehmen können, die als Null und Eins interpretiert werden können. Herkömmliche Computerchips rechnen mit Milliarden von mikroskopisch kleinen Halbleitertransistoren, die wie winzige Kippschalter für den elektrischen Strom funktionieren. Eine Steuerspannung kann sie zwischen „ein“ und „aus“, zwischen Null und Eins hin- und herwechseln.

Die grundlegenden Einheiten eines Quantencomputers sind dagegen Quanten-Bits, sogenannte Qubits. Sie können nicht nur den Wert Eins oder Null annehmen, sondern beide gleichzeitig. Tatsächlich befindet sich das Qubit – solange es nicht ausgelesen wird – in einem Überlagerungszustand verschiedener Zuständen, der von der Quantenmechanik am anschaulichsten durch das Bild von „Schrödingers Katze“ beschrieben wird. Es ist sowohl Null als auch Eins als auch jeder mögliche Wert dazwischen. Eine Welt die sich unserer alltäglichen Erfahrung entzieht und z.T. wiederspricht.

Das liegt an den Informationsträgern, die verwendet werden, wie Atome, Elektronen oder Photonen die noch nicht den klassischen Gesetzen der makroskopischen Welt unterliegen. Für sie gelten die Regeln der Quantenmechanik, die genutzt werden können um anders als in klassischer Mikroelektronik bizarr anmutende Zustände zu schaffen und nutzen. Eine dieser Regeln ist die mögliche Überlagerung von Zuständen. Physiker sprechen von Superposition. Sie erlaubt es Quantenobjekten einen nicht eindeutigen Zustand oder mehrere Zustände gleichzeitig einzunehmen. Ein zweites Phänomen ist die sogenannte Quantenverschränkung: In einer Anordnung von Qubits lassen sich die Zustände der einzelnen Teilchen miteinander verknüpfen (Physikalisch: verschränken). Sie sind dann wie durch Geisterhand miteinander verbunden. Durch diese beiden Phänomene sind Quantencomputer in der Lage, mit jedem Schaltvorgang viele Rechenoperationen gleichzeitig auszuführen.

Um eine Berechnung mit vielen Qubits durchzuführen, müssen sich diese also in verschränkten Superpositionen von Zuständen befinden – einem sogenannten quantenkohärenten Zustand. Dann nämlich beeinflusst die Änderung eines Qubits zugleich alle anderen. Doch das ist nicht einfach. Qubits und ihre Quantenzustände reagieren sehr empfindlich auf äußere Einflüsse, etwa auf Wärme oder Strahlung. Diese Störfaktoren lösen die verschränkten Zustände nach einigen Mikrosekunden wieder auf. Je mehr Qubits miteinander verbunden sind, desto fragiler wird ihr gemeinsamer Quantenzustand. Die Lebensdauer einer Quanteninformation hängt also auch davon ab, wie gut es den Forschern gelingt, den Rechner von der Umwelt abzuschirmen – oder die entstehenden Fehler zu korrigieren.

David DiVincenzo, Pionier in der Quanteninformation und Direktor am Jülicher Peter Grünberg Institut, hat vor 20 Jahren fünf Kriterien zusammengefasst, die ein universeller Quantencomputer erfüllen muss:

1.       Das System besteht aus einem skalierbaren System gut charakterisierter, also verstandener  Qubits

2.       Es muss möglich sein, die Qubits in einen definierten Anfangszustand zu versetzten

3.       Ein universelles Set elementarer Quantengatter, also Rechenoperationen, kann ausgeführt werden

4.       Einzelne Qubits (zumindest eines) können gemessen werden

5.       Die Kohärenzzeit des Systems ist wesentlich länger als die Operationszeit eines Gatters, also einer Rechenoperation

Welche physikalischen Systeme sich schlussendlich am besten für die Realisierung eines universellen Quantencomputers eignen ist dabei noch sehr ungewiss. Auch wenn die am weitesten entwickelten Technologien derzeit auf Supraleitende Qubits setzen gibt es Argumente, warum sich andere Ansätze basierend auf Halbleiter-Qubits oder exotischen Materialien wie topologischen Isolatoren langfristig als überlegen erweisen könnten.