Die faszinierende Welt der Quanten

zu wechseln. Da eine Quanten-Operation bei dieser Technik etwa 0,1 Mikrosekunden dauert, ist mit den Qubits der IBM-Forscher durchaus schon etwas anzufangen. Wirklich praktisch interessant dürften Quanten-Computer aber erst werden, wenn sie Millionen Qubits enthalten, meint Team-Leiter Steffen im Interview – bis dahin ist der Weg noch lang. Immerhin haben die Festkörper-Quanten-Computer einen wichtigen Vorteil: Die einzelnen Qubits sind mitsamt der sie umgebenden „Apparatur“ sehr klein und lassen sich auf einem Chip integrieren.
Zurück zur Mechanik
    Die allerersten Computer, etwa die von Charles Babbage entworfene Difference Engine, bedienten sich zum Rechnen mechanischer Elemente. Kühlt man sie nur weit genug ab, nehmen mechanische Elemente aber auch Quanten-Verhalten an. Das zeigen unter anderem Experimente der Gruppe von Markus Aspelmeyer an der Universität Wien und von Wissenschaftlern des Caltech. Die Forscher gehen damit schon sehr weit in Richtung der realen, makroskopischen Welt, denn ihre winzigen, einen tausendstel Millimeter breiten und mehrere hundertstel Millimeter langen Sprungbretter bestehen aus Milliarden von Atomen.
    Um solche Objekte auf ihren Grundzustand zu kühlen, genügen gewöhnliche Verfahren nicht. Die Wissenschaftler nutzen stattdessen Lichtteilchen, Photonen, um die Energie der Bewegungsquanten des mechanischen Systems, der Phononen , nach außen abzuleiten. Damit haben die Forscher nicht nur eine clevere Kühlmethode gefunden, sondern auch einen Mechanismus, mit dem man das mechanische System mit Licht koppeln kann. Die Idee dahinter: womöglich gelingt es ja, auf diese Weise Quanten-Informationen in den kleinen Siliziumbrücken zu speichern und wieder auszulesen. Ein solches System wäre als Speichermedium für einen Quanten-Computer geeignet. Ganz nebenbei hoffen die Forscher aber auch, mit ihren Methoden Vermutungen der Quanten-Gravitation überprüfen zu können (also der immer noch gesuchten Verbindung aus Quantenphysik und Gravitationstheorie): Dazu hat man sich bisher (eher erfolglos) astrophysikalischer Methoden bedient.
Blinde Quanten-Computer
    Ein interessantes Phänomen haben Wiener Quantenforscher um Professor Anton Zeilinger Anfang 2012 nachgewiesen: Ein Quanten-Computer kann blind rechnen. Das heißt, er ist in der Lage, eine Berechnung auszuführen, ohne Eingabe, Rechenweg und Ausgabe zu kennen. Das klingt widersinnig, hat aber eine interessante Anwendung: Das heute populäre Cloud-Computing vertraut darauf, dass der ferne, von einem Anbieter zur Verfügung gestellte Computer, der Daten auf Anforderung verarbeitet, schon nichts von seinem Wissen weitergeben wird.
    Ist das wirklich der Fall? Nur der Anbieter selbst kann das genau wissen. Bei einem blind rechnenden Quanten-Computer wäre der Kunde völlig sicher, dass niemand von seinen Daten Kenntnis erhält.
Adiabatische Quanten-Computer
    Für viele Forscher stellt dieses Konzept gar keinen echten Quanten-Computer dar, denn die Verschränkung mehrerer Qubits spielt hier gar keine Rolle. Es beruht darauf, dass ein System im Grundzustand (also mit der absoluten Mindestenergie) seine Quanten-Eigenschaften nicht verändert, solange die Wechselwirkung mit der Umwelt klein genug ist, dass sie unter der Schwelle für den nächsthöheren Zustand bleibt – das nennt man eine adiabatische Zustandsänderung.
    Die Idee ist, einen bestimmten Zustand zu präparieren und diesen dann mit kleinsten Anstößen so weit zu verändern, dass ein anderer, gesuchter Grundzustand erreicht wird, der der Lösung des Problems entspricht und gemessen werden kann. Adiabatische Quanten-Computer sind dadurch weit weniger flexibel als „echte“. Ob sie klassischen Computern prinzipiell überlegen sind (und bei welcher Art von Problemen), ist derzeit noch Diskussionsgegenstand unter den Forschern.
    Ins Medienecho gerieten sie, als die US-Firma D-Wave Systems angekündigte, entsprechende Rechner mit 128 Qubits in den Handel zu bringen. Das Unternehmen wird von der weltweiten Forschergemeinde mit leichter Skepsis betrachtet. Allerdings berichtet die Firma in letzter Zeit relativ offen von seiner Technologie. Anfang 2012 publizierte D-Wave zum Beispiel ein Paper, das eine quantenphysikalische Berechnung schildert, bei der 28 Qubits zum Einsatz kamen.
    Die Technik der Firma basiert auf supraleitenden Schaltkreisen, wie sie vorn schon beschrieben wurden, die zu einem „Chip“ vereinigt werden. Mehr als eine Spezial-Lösung für bestimmte Zwecke