Technologie
Erster Quanten-Prozessor entwickelt

Amerikanische Forscher haben einen winzigen Quanten-Prozessor gebaut. Ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum hochmodernen Quanten-Rechner. Warum die so genannten "Qubits" Lösungen finden können, die den Erfahrungen der sichtbaren Welt widersprechen.

DÜSSELDORF. Physiker von der Yale-Universität haben zum ersten Mal eine einfache Recheneinheit auf Basis der Quanteneffekte von Elementarteilchen entwickelt. Sie sind damit, wie sie in der Online-Ausgabe der Fachzeitschrift "Nature" berichten, der Realisierung eines Quanten-Computers einen guten Schritt näher gekommen. Mit ihrem Festkörper-Chip gelang es ihnen, einfache Algorithmen durchzurechnen, zum Beispiel Suchfunktionen.

Der Prozessor könne zwar nur ein paar sehr einfache Quanten-Aufgaben ausführen, die bereits früher mit einzelnen Atomkernen, Atomen und Photonen durchgeführt werden konnten. "Aber", betont der beteiligte Physiker Robert Schoelkopf, "dieses Mal sind sie möglich in einem elektronischen Apparat, der aussieht und wirkt wie ein regulärer Mikroprozessor".

Die Arbeitsgruppe unter Leitung von Steven Girvin, Professor für Angewandte Physik in Yale, stellte zwei sogenannte Quantum Bits (Qubits) her. zwar besteht jedes Qubit tatsächlich aus Billionen von Aluminiumatomen, aber es verhält sich wie ein einziges Atom, das zwischen zwei Energiezuständen wechseln kann. Diese Zustände sind die Entsprechung zu "1" und "0" oder "on" und "off" beim Bit, der kleinsten Informationseinheit in herkömmlichen Prozessoren.

Nach den grundlegenden Gesetzen der Quantenmechanik, die den Erfahrungen der sichtbaren Welt widersprechen, können die Physiker die Qubits aber in eine "Überlagerung" (Superposition) versetzen, mit mehreren Zuständen gleichzeitig. Das erlaubt einen größeren Informationsspeicher und mehr Rechenkraft.

Diese Fähigkeit veranschaulichen die Forscher mit einem Beispiel: Wenn vier Telefonnummern vorliegen und man nicht weiß, welche die der gesuchten Person ist, muss man jede einzeln probieren, was im Durchschnitt zwei oder drei Versuche bedeutet, bis man bei der richtigen landet. Ein Quantenprozessor braucht für eine solche Aufgabe stets nur einen Versuch. "Das ist so, als ob man mit einem Anruf alle vier Nummern gleichzeitig wählen könnte, aber nur zur richtigen Nummer durchkäme."

Diese Art von Rechenoperationen, auch wenn sie einfach sind, war bisher mit Festkörper-Qubits nicht möglich, unter anderem auch deshalb, weil die Zustände der Qubits nicht lange genug bestehen blieben. Die frühesten, vor rund zehn Jahren hergestellten Qubits hielten ihre bestimmten quantenmechanischen Zustände nur eine Milliardstel Sekunde lang aufrecht. Das Qubit von Yale schaffte es immerhin tausendmal länger, das reicht für besagte Rechenoperationen.

Um komplexere Aufgaben auszuführen, wollen die Physiker die quantenmechanische Haltbarkeit weiter erhöhen und mehrere Qubits vernetzen. Die Rechenkraft erhöhe sich mit jedem zusätzlichen Qubit exponentiell, sagt Schoelkopf. Das Potenzial der Quantenrechner sei daher enorm. Aber bis sie komplizierte Aufgaben rechnen könnten, werde noch einige Zeit vergehen. fk

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