Techniklexikon

Quantencomputer

Quantenmechanik, aus Qubits und Quantengattern aufgebautes System, das für die Durchführung von Rechenalgorithmen die Gesetze der Quantenmechanik ausnutzt. Ein Quantencomputer speichert binäre Daten in Qubits ab, den Einheiten der Quanteninformation (Quanteninformatik). Dabei handelt es sich um quantenmechanische Zwei-Niveau-Systeme wie z. B. einzelne Kernspins mit den Spinorientierungen »up« und »down«, die analog den klassischen Bits die Werte »0« und »1« repräsentieren. Allerdings können die Quantenzustände der Qubits, verallgemeinernd notiert als  und , nach den Regeln der Quantenmechanik manipuliert werden. Insbesondere sind Superpositionen, z. B. , und Verschränkungen mehrerer Qubits erlaubt. Daraus ergeben sich weitreichende Konsequenzen: Wird ein Quantenregister aus n Qubits in einem Superpositionszustand präpariert, so sind alle Zahlen von 0 bis  gewissermassen gleichzeitig im Register gespeichert. Statt eine Rechenoperation sukzessive für alle Werte durchzuführen, könnte ein Quantencomputer eine Vielzahl möglicher Rechenschritte parallel ausführen (Quantenparallelität). Darauf beruht seine Schnelligkeit. Zwar ergibt das Auslesen eines Quantenregisters immer nur einen einzigen Wert, da der Messprozess einen Superpositions- oder Verschränkungszustand auf einen Eigenzustand des Messapparats projiziert. Doch die Interferenz quantenmechanischer Zustände lässt sich ausnutzen, um am Ende eines Rechenvorgangs das gesuchte Ergebnis zu verstärken, so dass eine Messung mit grosser Wahrscheinlichkeit das gewünschte Resultat liefert.

Für einige spezielle Aufgaben, wie z. B. die Primfaktorenzerlegung, gelang es nachzuweisen, dass ein Quantencomputer exponentiell weniger Rechenschritte benötigen würde als ein klassischer Computer. Noch unklar ist jedoch, ob die bisher gefundenen Algorithmen Einzelfälle sind oder ob sie zu einer Klasse von Aufgaben eines bestimmten Typs gehören. In Demonstrationsexperimenten wurden erste Quantengatter mit einzelnen Ionen und rudimentäre Suchalgorithmen mit Kernspins als Qubits verwirklicht. Das grösste Hindernis auf dem Weg zu grösseren Systemen mit mehreren Qubits ist die Dekohärenz (Kohärenz), das Zerfallen der fragilen quantenmechanischen Zustände durch die unvermeidbare Kopplung an die Umgebung. In der Quanteninformatik sind daher verschiedene Ansätze zur Quanten-Fehlerkorrektur entwickelt worden. Demnach könnte ein Quantencomputer mit einer Rate von bis zu  Fehlern pro Qubit und Taktzyklus noch funktionieren, wenn man geeignete Korrektur-Algorithmen implementierte. Quantencomputer werden zwar nicht die herkömmlichen Computer ersetzen, aber Systeme mit einigen Qubits könnten in den nächsten Jahrzehnten für spezielle Anwendungen zur Verfügung stehen. Die Grundlagenforschung hat schon jetzt von dem jungen Gebiet des quantum computing profitiert.