Quantencomputern gehört die Zukunft
Wenn Moleküle rechnen könnten

Mathematiker und Physiker wissen längst, was den Normalbürger erstaunt verharren lässt: Bestimmte Rechenaufgaben lassen sich durch die Natur schneller berechnen als durch vom Menschen konstruierte Rechenapparate - die Aufgabe muss nur in geeigneter Form vorliegen.

Forschern am IBM Almaden Research Lab in Kalifornien ist nun ein entscheidender Durchbruch gelungen. Sie brachten sieben Moleküle dazu, die Zahl "15" in ihre Primfaktoren zu zerlegen. Dass am Ende "3" und "5" als Ergebnis herauskam, überraschte niemand. Aber es ging ums Prinzip: Das Experiment gilt als erster Schritt in Richtung auf einen Quantencomputer - und der hat es in sich.

Denn der Computer klassischer Bauart stößt an seine Grenzen. Schrumpfen die Strukturgrößen auf einem Chip wie geplant weiter, sind in rund 20 Jahren die Grenzen des Siliziums erreicht. Die Schaltelemente haben dann Atomgröße erreicht, kleinere feste Strukturen können nicht hergestellt werden. Die goldene Regel von Intel-Mitbegründer Gordon Moore, dass sich die Zahl der Transistoren auf einem Chip alle 18 Monate verdoppelt, stieße abrupt an ihr Ende. Der Drang der Industrie, immer mehr Rechenleistung auf noch kleinerer Fläche unterzubringen, lässt sich dann nur noch über eine neue Technologie erfüllen.

Schon 1982 hatte der amerikanische Physik-Nobelpreisträger Richard Feynman herausgefunden, dass ein Quantensystem "ganz nebenbei" Berechnungen vornimmt, die einen klassischen Computer vor unlösbare Schwierigkeiten stellen. Dieser würde nämlich schier endlos rechnen, um das Verhalten eines ganz einfachen Quantensystems vorauszusagen.

Konventionelle Computer operieren bekanntlich mit den beiden Zuständen "Ja" und "Nein". Ein Quantensystem kennt auch Zwischengrößen. Ein klares "Jein" ist deshalb für Quanten eine klare Aussage, und das auch noch mit beliebig vielen Abstufungen.

Gerade diese Zwischenwerte zwischen "Ja" und "Nein" haben Physik-Genies Anfang des 20. Jahrhunderts fast um den Verstand gebracht, zudem sich die einzelnen Quantensysteme wieder ganz normal verhalten, wenn man sie in großer Zahl zusammenbringt. Nur isoliert unterliegen Atome und Moleküle den Regeln der Quantenmechanik. Um mit ihnen zu rechnen, muss man die einzelnen Quantensysteme isolieren und gezielt aufeinander reagieren lassen. Genau das geschieht in einem Quantencomputer.

Geeignet präpariert entstehen Quantenbits oder "Q-Bits", die gleichzeitig als Prozessor und Speicher eines Computers dienen. Diese Q-Bits rechnen exponentiell schneller als herkömmliche Rechner mit Siliziumprozessor und Festplattenspeicher, denn jedes "Q-Bit" kann auf Grund seiner physikalischen Eigenschaft mehrere Werte gleichzeitig annehmen. Das Ergebnis ist ein hochgradig parallel arbeitendes Rechenwerk, das seine Ergebnisse mit Lichtgeschwindigkeit übermittelt.

Der amerikanische Forscher Peter Shor von AT&T hat sich 1994 eingehend mit Quantencomputern und ihrer Leistungsfähigkeit befasst, und damit die Fachwelt elektrisiert. Beruht doch ein Großteil der gängigen Verschlüsselungsmethoden auf einer simplen Tatsache. Primzahlen lassen sich leicht durch Multiplikation erzeugen, aber nur mit enormen Rechenaufwand wieder in ihre Faktoren zerlegen. Die zufällig gewählten Primzahlen bilden in der elektronischen Welt einen Schlüssel. Verschlüsselungssoftware wie das populäre Pretty Good Privacy (PGP) schützen auf diese Weise E-Mails im Internet vor unerlaubten Blicken.

Derzeit gilt es als enorm schwierig, einen leistungsfähigen Quantencomputer zu bauen. Beim jetzigen Versuch wurden 1 Milliarde mal 1 Milliarde (10 Hoch 18) maßgeschneidert synthetisierte Moleküle in einem Reagenzglas verwendet. Schließlich waren es 7 Atome, mit denen die Rechnung gelang.

Ein leistungsfähiger Quantencomputer würde Hunderte, vielleicht Tausende von Q-Bits benötigen. Selbst optimistische Forscher schätzen, dass es mindestens noch zehn Jahre dauern wird, bis die Quanten auch das große "Einmaleins" gelernt haben.

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