Wichtige Weiterentwicklung des Quantencomputers

Publikation in "Nature"

Wiener Quantenphysikern um Anton Zeilinger ist es gelungen der "Quanten-Natur" ein Schnippchen zu schlagen, und damit den Quantencomputer effizienter und schneller zu machen. Die Forscher berichten darüber in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift "Nature"

Der Quantencomputer ist eine der viel versprechenden Anwendungen der Gesetze der Quantenphysik. Ein Quantencomputer kann zwar prinzipiell genau dieselben Probleme berechnen wie ein klassischer Computer, allerdings konnte in den vergangenen Jahren gezeigt werden, dass ein Quantencomputer bei einer bestimmten Klasse von Rechenaufgaben wesentlich schneller ist, denn er kann die Berechnung in wenigeren Teilschritten lösen. Die bekanntesten Beispiele sind Quantenalgorithmen zum Auffinden von Einträgen in Datenbanken (Suchalgorithmen) oder zum Zerlegen von großen Zahlen in deren Primfaktoren. Die Schnelligkeit kommt vor allem daher, dass ein Quantencomputer mit einer Vielzahl von Eingabedaten gleichzeitig rechnen kann, dies ist eine Superposition ähnlich Schrödingers Katze.

One-Way Quantencomputer

Im Experiment stellten die Wiener Forscher (Robert Prevedel, Philip Walther, Felix Tiefenbacher, Pascal Böhi, Rainer Kaltenbaek, Thomas Jennewein und Anton Zeilinger) zunächst einen so genannten Clusterzustand her, der als Ressource für den Computer angesehen werden kann. Dies ist ein hoch verschränkter Quantenzustand mehrerer Quantenbits (kurz Qubits), wobei im Experiment jedes Photon einem Qubit entspricht. Dieser verschränkte Anfangszustand ist so komplex und reich an Information, dass er alle im Prinzip möglichen Resultate der beabsichtigten Berechnungen enthält.

Die Rechnung selbst schreitet dann auf die Weise fort, dass man an einzelnen Qubits (=Photonen) des Clusterzustandes der Reihe nach Messungen durchführt. Dabei ist für jede Aufgabe des Computers jeweils eine andere Abfolge von Messungen notwendig. Wichtig dabei ist die Tatsache, dass wegen der Verschränkung, die Einstein ja als "spukhafte Fernwirkung" bezeichnet hatte, die Messung eines Photons den Zustand der (übrigen) Photonen sofort, also instantan, verändert. Das Endresultat der gewünschten Berechnung ist der Zustand der am Schluss verbleibenden Photonen.

Nun besteht ein prinzipielles Problem darin, dass eine Messung in der Quantenphysik dem Zufall unterworfen ist, das gewünschte Resultat aber nur bei ganz bestimmten Messergebnissen zustande kommt. Der Benützer war bislang hierbei eingeschränkt, er musste solange warten, bis "zufällig" der Quantencomputer das richtige Resultat liefert. Schon bei einem vergleichsweise "kleinen" Computer, in dem nur 10 Messungen vorgenommen werden bedeutet dies allerdings, dass nur in einem von tausend Fällen die richtige Antwort vorliegt! Einem Vorschlag von Raussendorf und Briegel (Universität Innsbruck und Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der ÖAW) folgend haben nun die Wiener Forscher dem Zufall, der grundsätzlich aus der Quantenphysik nicht wegzubekommen ist, ein Schnäppchen geschlagen.

Feed-Forward macht Quantencomputer deterministisch

Das Problem der Zufälligkeit kann elegant umgangen werden indem man schnell genug die Art der Messung des nächsten Photons so anpasst, dass der Fehler kompensiert wird (Error Correction). Man adaptiert dadurch sozusagen "in Echt-Zeit" die Software des Computers; das Problem der Zufälligkeit wird ausgeschaltet. Diese schnelle Adaptierung der späteren Messungen erfordert so genanntes "aktives Feed-Forward" (Vorwärtskopplung), das natürlich aufgrund der Geschwindigkeit der Photonen sehr schnell sein muss. Im Experiment erfordert dies den Einsatz ultraschneller elektronischer und optischer Komponenten. Mit der Hilfe von spezial angefertigten elektrooptischen Modulatoren und eigens designter elektronischer Logik konnte die Anpassung der Messung in weniger als 150 Nanosekunden (1 Nanosekunde = 1 Milliardstel Sekunde) erfolgen. Dies bedeutet gleichzeitig, dass diese Art Quantencomputer um etwa das tausendfache schneller ist als andere Realisierungen, die nicht auf Photonen beruhen.

Die Forschungsergebnisse sind das Resultat einer Zusammenarbeit zwischen dem Institut für Experimentalphysik der Universität Wien, dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften in Wien, sowie einem Forscher an der Harvard University, (USA). Unterstützt wurden die Forscher dabei vom Österreichischen Wissenschaftsfonds (FWF), sowie der Europäischen Kommission.


Referenz:
Nature 445, 7123 (4. Januar 2007);
Robert Prevedel, Philip Walther, Felix Tiefenbacher, Pascal Böhi, Rainer Kaltenbaek, Thomas Jennewein und Anton Zeilinger:
High-speed linear optics quantum computing using active feed-forward


Kontakt:
Mag. Ursula Gerber
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