Wie funktioniert ein Quantencomputer?

Auch wenn Wissenschaftler weltweit auf dieses Ziel hinarbeiten, Quantencomputer außerhalb der Laborsituation wird es erst einige Jahrzehnte in der Zukunft geben. Allerdings sah noch vor siebzig bis achtzig Jahren die Situation bei herkömmlichen Computern ähnlich aus. Als Universalrechner wird sich ein Quantencomputer jedoch auch künftig nicht durchsetzen. Nur bei speziellen Problemen könnte die Ausnutzung quantenmechanischer Effekte sinnvoll sein und zu schnelleren Lösungen führen.

Um einen Quantencomputer zu bauen, braucht man zunächst Rechen- und Speichereinheiten. Diese sogenannten Qubits sind das quantenmechanische Pendant zu den Bits herkömmlicher Rechner. Bits können genau einen von zwei möglichen Zuständen einnehmen, das sind im Binärsystem entweder Null oder Eins. Das Qubit kann sich dagegen für eine bestimmte Zeitspanne, die sogenannte Kohärenzzeit, in einem Zwischenzustand aus Null und Eins befinden. Dieser Zustand wird auch Superposition genannt. Durch eine Messung geht das Qubit dann in einen der beiden klar definierten Zustände über, sodass man das Messergebnis in einem „klassischen“ Bit speichern kann. Dieser Verlust der Superposition wird Dekohärenz genannt.

Ionen in der Paul-Falle

Im Labor stellen Forscher Qubits unter anderem aus Ionen oder supraleitenden Schleifen, sogenannten SQUIDs, her. Rainer Blatt von der Universität Innsbruck und seine Kollegen haben sich für Experimente mit Ionen entschieden. Sie halten die einfach positiv geladenen Ionen – also Atome, denen ein Elektron fehlt – durch elektrische Felder in sogenannten Paul-Fallen gefangen.

Bei diesem Qubittyp entspricht ein nicht angeregtes Ion dem Zustand Null und ein angeregtes dem Zustand Eins. Als nicht angeregt bezeichnet man ein Atom mit der niedrigst möglichen Energie. Angeregt bedeutet, dass dem Teilchen Energie zugeführt wurde und das äußerste Elektron dadurch in ein höheres Energieniveau gelangt ist. Mit Lasern können Blatt und sein Team nun die Ionen in einen angeregten, nicht angeregten oder einen Superpositionszustand dazwischen bringen. Um einen Quantencomputer zu realisieren, müssen aber noch weitere Voraussetzungen geschaffen werden. Zum Lösen von Rechenaufgaben, braucht man mehrere Qubits, ein sogenanntes Quantenregister. Die Information wird dann auf alle Qubits eines Registers verteilt.

Perlenschnur aus Qubits

Im Labor von Rainer Blatt besteht ein Register aus 14 Ionen, die mit einigen Mikrometern Abstand entlang einer Achse gespeichert sind. Sie sind da „wie an einer Perlenschnur“ aufgereiht, so der Forscher. Eine Anforderung an Qubits ist, dass sie einfach zu manipulieren sind. Gleichzeitig sollen sie aber auch unempfindlich gegenüber Störeinflüssen sein.

Leuchtende Ionenketten

Diese beiden widersprüchlichen Anforderungen zu erfüllen, ist schwierig, aber notwendig. Denn um die quantenmechanischen Effekte ausnutzen zu können, müssen die Qubits solange in den vorgegebenen Zwischenzuständen bleiben, bis die Rechenoperation durchgeführt ist. Das heißt, die Forscher müssen die Dekohärenz, also das Zurückfallen in einen klassischen Zustand, möglichst lange hinauszuzögern.

Um die Manipulation der Zustände zu beschreiben, nutzen die Physiker logische Operatoren, wie sie Informatiker auch für elementare Operationen eines klassischen Computers verwenden. Diese Operatoren heißen bei Quantencomputern Quantengatter. Auf Qubits angewendet verändern sie die dort gespeicherte Information. Bei den Ionenfallen beschreiben Quantengatter die Art, mit der ein Ion durch einen Laser manipuliert wird – also Dauer der Bestrahlung und Wellenlänge des Lichts.

Ähnlich wie in der klassischen Informatik reichen wenige logische Grundoperationen aus, um jeden beliebigen Rechenvorgang auf dem entsprechenden Quantencomputer zu realisieren. Die einfachste Operation ist die Negation „NOT“. Dabei wird der Zustand einer Speichereinheit einfach „umgeklappt“ oder negiert. Das heißt im binären System würde die Null zur Eins werden und umgekehrt.

Prinzip des Qubits

Ein Rechenvorgang besteht aus einer Abfolge dieser Grundoperationen und läuft bei einem klassischen Computer folgendermaßen ab: Die Bits liegen als Register in einer Reihe nebeneinander und befinden sich jeweils in einem festgelegten Anfangszustand von Null oder Eins. Dann klappt der Computer die einzelnen Bits um und ändert damit ihren gespeicherten Wert von Null in Eins oder umgekehrt. Dieses Umklappen passiert sehr schnell, sehr oft hintereinander und funktioniert nach einem festgelegten Schema, dem Algorithmus des gestarteten Computerprogramms. Damit dieses vom Rechner ausgeführt werden kann, muss der Code, der in einer Programmiersprache wie Java oder C++ geschrieben ist, noch in einen Maschinencode übersetzt werden, der nur aus einem Binärcode aus Nullen und Einsen besteht. Am Ende des Vorgangs steht das Ergebnis der Rechnung als Binärzahl im Register und kann so ausgelesen werden.

Rechnen mit Quantengattern

Im quantenmechanischen System funktioniert ein Rechenvorgang nach dem gleichen Prinzip: Zunächst muss der Anfangszustand des Quantenregisters festgelegt werden. Rainer Blatt und sein Team realisieren das mit Laserpulsen, die sie auf die Kette aus Ionen schießen. Durch die Länge der Bestrahlung können sie die Wahrscheinlichkeit festlegen, mit der das Ion anschließend im angeregten oder nicht angeregten Zustand gemessen werden kann. Diese Wahrscheinlichkeiten werden mathematisch durch Wellenfunktionen beschrieben, die den einzelnen Qubits zugeordnet sind.

Wie lange die Physiker aus Innsbruck ein Ion bestrahlen müssen, damit sich der gewünschte Zustand einstellt, ergibt sich aus der notwendigen Bestrahlungsdauer für die einfachste Grundoperation „NOT“: Nach etwa zehn Mikrosekunden befindet sich ein zunächst nicht angeregtes Ion im angeregten Zustand. Die Forscher haben hier die einfache Negation „NOT“ angewendet und das Qubit einmal von Null auf Eins „umgeklappt“. Wenn sie das Ion nun nur die Hälfte der Zeit bestrahlen, also fünf Mikrosekunden, befindet es sich anschließend genau in dem quantenmechanischen Zwischenzustand, in dem es sich mit einer Wahrscheinlichkeit von 50 Prozent noch im Grundzustand und mit einer Wahrscheinlichkeit von 50 Prozent schon im angeregten Zustand befindet.

Quantensystem abschotten

Im Gegensatz zur klassischen Informatik ist das Rechenergebnis nicht klar definiert und wird erst bei der Messung über eine sogenannte nichtlokale Wechselwirkung erzeugt. Das geschieht durch die Verschränkung der Qubits, ein weiteres Phänomen der Quantenmechanik. Wenn man ein Qubit des Registers mit Lasern manipuliert, also beispielsweise eine Messung daran durchführt, ändert sich nun instantan – also ohne Zeitverlust – der Zustand des ganzen Registers. Für den Rechenvorgang ist es wichtig, die quantenmechanischen Zustände des Systems zu erhalten – also die Superposition der einzelnen Qubits und deren Verschränkung miteinander.

Aufbau der Laserapparatur

Die Forscher um Rainer Blatt versuchen also sicherzustellen, dass es ausschließlich zu kontrollierten Wechselwirkungen mit den gezielt eingesetzten Laserpulsen kommt. Sie erreichen das durch tiefe Temperatur, Vakuum und exakte Manipulationswerkzeuge: „Wir kühlen die Atome in den absoluten Grundzustand herunter, pumpen bei Drücken von 10^-11 bis 10^-12 Millibar alles ab, was in der Paul-Falle sonst noch drin ist, und arbeiten mit extrem geringen Linienbreiten“, sagt Thomas Monz, wissenschaftlicher Mitarbeiter aus Blatts Arbeitsgruppe. Eine geringe Linienbreite bedeutet, dass die Frequenz des Lichts nur minimal variiert. Diese Maßnahmen ermöglichen es den Forschern, die Ionen gezielt zu manipulieren und die gespeicherten Informationen korrekt auszulesen.

Die natürliche Lebensdauer für einen angeregten Zustand der Ionen-Qubits beträgt eine Sekunde. Ein Superpositionszustand, also ein quantenmechanischer Zwischenzustand, bleibt für etwa eine zehntel Sekunde erhalten. In diesem Zeitfenster können die Forscher mit dem Quantencomputer rechnen, das heißt, ein Quantengatter beziehungsweise eine Abfolge aus Quantengattern ausführen. Bei einer durchschnittlichen Gatterzeit von hundert Mikrosekunden sind somit tausend Operationen an den Qubits im Superpositionszustand möglich.

Um nach Anwenden des Algorithmus das Ergebnis auszulesen, schießen die Forscher einen weiteren Laserpuls mit anderer Wellenlänge auf die Ionen. Durch Fluoreszenz geben diese zu erkennen, ob sie angeregt sind oder nicht. Anhand dieser Informationen kann ein klassischer Computer dann das Ergebnis ermitteln.

Was heißt hier überhaupt Quantencomputer?

Die Frage, ob Quantencomputer schon realisiert sind oder nicht, hängt davon ab, wie man einen Quantencomputer definiert. Stellt man ihn sich als kompaktes Gerät mit Festplatte, Prozessor, Mikrochips und Gehäuse vor, gibt es den Quantencomputer noch nicht. Fragt man Forscher wie Rainer Blatt, steht für ihn das Gegenteil fest. „Hier stehen sie doch, die Quantencomputer“, sagt er und meint damit zwei Tische im Universitätslabor, auf denen sich eine Ansammlung aus Geräten und Kabeln befindet. Daneben stehen Laseraufbauten, die Manipulation und Kühlung des Quantensystems übernehmen, und klassische Computer, die die Forscher zur Bedienung nutzen. „Das sind unsere Prototypen, an einem tragbaren Modell sind wir dran“, so Blatt.

Prototyp eines Quantencomputers

Das entspricht auch der Auffassung von Christian Ospelkaus, der an der Universität Hannover zu Quantenlogik forscht. Er versteht Quantencomputer als „sehr gut kontrollierte und wechselwirkende Quantensysteme wie zum Beispiel Ionen in einer Falle“. Nach dieser eher weitgefassten Definition gibt es den Quantencomputer also schon. Die Möglichkeiten, Rechnungen durchzuführen und Probleme zu lösen, sind aber noch sehr beschränkt und allenfalls für die Forschung interessant.

Allerdings hat Blatt die Vision, dass man in fünf bis zehn Jahren die Rechenleistung so erhöht haben wird, dass man Quantencomputer aus der Ferne nutzen könnte – so wie bisher Großrechner. „Dann schicken Sie Ihre Programme dahin und bekommen das Ergebnis wieder.“ Allerdings räumt der Physiker ein: „Ein Quantencomputer für Zuhause ist wirklich noch Zukunftsmusik.“

Rainer Blatt im Labor

Die Forschungsziele sind derzeit darauf ausgerichtet, die Systeme zu erweitern und die Rechenfehler pro Operation zu reduzieren. Forscher arbeiten also zum einen daran, mehr Qubits parallel zu kontrollieren. Dafür entwickeln sie weltweit verschiedene technische Realisierungen von Qubits und testen, wie gut sich diese manipulieren und gleichzeitig von der Umwelt isolieren lassen. Zum anderen beschäftigt die Wissenschaftler eine andere große Schwachstelle: Bei Quantencomputern steigen die Fehler exponentiell mit der Anzahl der Qubits. Das ist besonders problematisch, weil die üblichen Fehlerkorrekturen nicht greifen. Eine klassische Methode ist es, Bits mehrfach zu kopieren, um mit den Kopien zu rechnen. Weicht ein Ergebnis von dem ab, was die meisten Kopien liefern, deutet das auf einen Fehler im System hin. Das funktioniert in der Quantenwelt nicht. Denn hier zerstört jede Störung, also auch das Kopieren, den Superpositionszustand der Qubits.

An den Möglichkeiten von Quantencomputern sind die unterschiedlichsten gesellschaftlichen Gruppen interessiert. So wollen Forscher mit den neuen Rechnern beispielsweise komplexe Mehrteilchensysteme wie Elektronen in einem Festkörper oder die Überlagerung von Magnetfeldern simulieren. Internetkonzerne wie Google hoffen auf effizientere Verfahren, um Datenbanken zu durchsuchen. Und Geheimdienste spekulieren darauf, hohe Zahlen in Primzahlen zu zerlegen und so bisher sichere Verschlüsselungsverfahren zu knacken. „Es liegt am Nutzer, was er daraus macht – beim klassischen Computer wie auch beim quantenmechanischen“, sagt Thomas Monz. Doch bis Quantencomputer effektiv die Probleme lösen können, mit denen herkömmliche Rechner heute überfordert sind, muss technisch noch einiges passieren.