“Die klassischen Computer haben noch lange nicht ausgedient”

Feature | 17. November 2003 von admin 0

Gerhard Abstreiter

Gerhard Abstreiter

Was sind Qubits?

Abstreiter: Klassische bits basieren auf zwei Zuständen die mit 0 und 1 bezeichnet werden. Dahinter verbirgt sich physikalisch gesehen in einem Rechner beispielsweise ein geladener oder ein ungeladener Kondensator. Im Gegensatz dazu basieren Qubits auf der quantenmechanischen Überlagerung zweier Zustände. Dieser Mischzustand lässt sich im Gegensatz zu den klassischen bits 0 und 1 kontinuierlich variieren. Sind beispielsweise die reinen Zustände 0 und 1 durch zwei Vektorpfeile repräsentiert, von denen die Spitze des einen nach oben, die des anderen nach unten zeigt, dann sind alle Zwischenrichtungen Überlagerungen dieser beiden reinen Zustände.

Die Grundlagenforschung strebt einen auf Qubits basierenden Computer, auch Quantencomputer genannt, an. Worin besteht der Unterschied und die Überlegenheit gegenüber heutigen Computern?

Abstreiter: In Quantencomputern basiert die Informationsverarbeitung auf quantenmechanischen Prinzipien. Dies beinhaltet neue Konzepte die kein klassisches Analogon besitzen, wie etwa die Verschränkung von Zuständen. In den vergangenen zehn Jahren ist deutlich geworden, dass dies faszinierende neue Perspektiven für die Informationsverarbeitung und für die Kommunikation eröffnet. Durch Ausnutzung von massivem Parallelismus ließen sich beispielsweise gewisse rechenintensive Aufgaben viel schneller bewältigen als mit klassischen Computern. Häufig genannte Beispiele sind die Faktorisierung großer Zahlen, das heißt deren Zerlegung in Primzahlen mit dem Shor-Algorithmus und die Suche in großen Datenbanken mit dem Grover-Algorithmus.

Ich möchte hier die Euphorie für Anwendungen allerdings etwas dämpfen, da es derzeit noch sehr wenige Anwendungsbeispiele gibt, wo Quantencomputer tatsächlich Vorteile bringen würden. Die klassischen Computer haben also noch lange nicht ausgedient. Es ist derzeit auch noch völlig unklar, ob sich ein praktisch nutzbarer Quantencomputer tatsächlich bauen lässt. Die Beschäftigung mit Quanteninformationsverarbeitung hat aber zu einer weltweiten Synergie zwischen theoretischen und experimentellen Physikern, Elektrotechnikern, Informatikern und Mathematikern geführt. Quanteninformationsverarbeitung ist eine äußerst fruchtbare Inspirationsquelle für eine Vielzahl höchst interessanter wissenschaftlicher Fragestellungen – sowohl grundlegender als auch angewandter Natur.

Wie lassen sich Quantenzustände als Informationsträger nutzen?

Abstreiter: Die kleinste Einheit für Quanteninformation ist ein Qubit. Wie oben bereits ausgeführt ist dies die quantenmechanische Überlagerung von je zwei Zuständen. Wir brauchen hierfür also Systeme, die über zwei quantenmechanische Zustände verfügen. Die Natur bietet hier eine Vielzahl von Möglichkeiten, von denen ich hier nur einige beim Namen nennen will: Einzelne Atome oder Ionen in Fallen, Elektronen- oder Kernspinzustände, Cooperpaare oder Flussquanten in der Supraleitung, Elektron-Lochpaare oder so genannte Exzitonen in Halbleiterquantenpunkten. Welche Systeme am besten für Quanteninformationsverarbeitung geeignet sind, ist derzeit noch vollkommen offen. Wichtig ist aber die Eigenschaft, quantenmechanische Freiheitsgrade kontrolliert und zeitgenau manipulieren und verschränken zu können. Dabei spielen lange Dekohärenzzeiten der Quantensysteme eine wichtige Rolle. Vereinfacht ausgedrückt: Das System muss sich lange genug an den Ausgangszustand erinnern. Nur dann lassen sich eine ganze Folge kohärenter Quantenmanipulationen durchführen. Darüber hinaus müssen mehrere Qubits gekoppelt werden können.

In welchem Stadium bei der Entwicklung von Quantencomputern befinden wir uns derzeit und welche Herausforderungen gilt es zu meistern?

Abstreiter: Die Quanteninformationstheorie, die sich etwa damit befasst, Quanten-Algorithmen wie den Shor- oder Grover-Algorithmus zu entwickeln, ist den technologischen Realisierungen von Qubits weit voraus. Im Labor konnten bisher nur einfache Operationen mit wenigen Qubits demonstriert werden. Beispielsweise ist es gelungen, die Zahl 15 in ihre Primzahlen 3 und 5 zu zerlegen. Das ist ein erster wichtiger Nachweis, dass das Prinzip funktioniert. Viele der verwendeten Systeme, wie Atomfallen oder die Kern-Spin-Resonanz, lassen sich nur schwer zu größeren Systemen von Qubits ausbauen oder gar in elektronische Schaltkreise integrieren. Eine für praktische Anwendungen erforderliche Skalierbarkeit ist daher in den meisten Fällen nicht gegeben. Deshalb arbeiten derzeit weltweit viele Gruppen an festkörperbasierten Systemen.

Welche aktuellen Forschungsansätze gibt es auf dem Gebiet der Halbleiterphysik und was sind deren Ziele?

Abstreiter: Unsere Projekte auf Halbleiterbasis konzentrieren sich auf Elektronen, Exzitonen, Photonen und Spineigenschaften in Halbleiterquantenpunkten. Wir konnten im vergangenen Jahr nachweisen, dass es möglich ist, die kohärente Manipulation eines Exzitons in einem Quantenpunkt elektrisch auszulesen. Diese Realisierung eines optisch gesteuerten Qubits mit elektrischen Kontakten ist aber nur ein allererster Schritt und kann viele Probleme für halbleiterbasierte Quanteninformationsverarbeitung nicht lösen. Ein anderer Ansatz ist, Spins als Qubits zu verwenden. Hierzu gibt es eine Reihe von Ideen, die im Prinzip sogar kompatibel mit der herkömmlichen Mikroelektronik auf Silizium-Basis sind. Ein anderer und zeitlich wesentlich anwendungsnäherer Aspekt dieser Arbeiten ist die Realisierung einer Einzelphotonenquelle, wie sie für abhörsichere Informationsübertragung benötigt wird. Im Bereich dieser Quanten-Kryptographie erwarte ich in den kommenden Jahren erhebliche Fortschritte und auch erste einsatzfähige Bauelemente.

Welchen Einfluss kann diese Forschung auf die IT haben?

Abstreiter: Mit all den oben aufgeworfenen Fragen ist der Einfluss auf die Informationstechnologie derzeit schwer abzusehen. Die Entwicklung der Mikroelektronik wird in den nächsten 15 bis 20 Jahren mit der gleichen Geschwindigkeit voranschreiten wie bisher. Die Größe von Transistoren wird dann weniger als zehn Milliardstel Meter betragen. In diesem Stadium könnte ich mir vorstellen, dass die Mikroelektronik mit Konzepten der Quanteninformationsverarbeitung kombiniert wird. Voraussetzung hierfür ist, dass wir bis dahin quantenmechanische Zustände genau kontrollieren können. Dann wäre eine kontinuierliche Entwicklung vorstellbar: Immer dort, wo quantenmechanische Prinzipien Vorteile böten, würden sie auch eingeführt.

Wesentlich früher sind Anwendungen in der abhörsicheren Informationsübertragung zu erwarten. Sobald entsprechende Einzelphotonenquellen und -detektoren zur Verfügung stehen, wird dies in die optische Signalübertragung einfließen. Persönlich glaube ich nicht, dass Quantencomputer in absehbarer Zeit klassische Computer ersetzen werden. Quanteninformationsverarbeitung ist aber ein faszinierendes Arbeitsgebiet, das sicher noch viele Überraschungen erwarten lässt.

Was ist Ihr persönliches Motto?

Abstreiter: Das Mögliche tun, das Unmögliche versuchen!

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