Quanten rechnen anders

Text: Manuela Kuhar

David DiVincenzo ist einer der führenden Köpfe im jungen Forschungsgebiet der Qanteninformationstechnologie. Er beschäftigt sich in Theorie und Experiment mit Möglichkeiten, die Regeln der Quantenmechanik für die Datenverarbeitung zu nutzen. Der internationale Spitzenphysiker wird an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) Aachen und am Forschungszentrum Jülich forschen und lehren.

Weltweit suchen Forscher nach Alternativen zur heutigen Siliziumchiptechnologie. Anwender benötigen immer mehr Rechenleistung, der Strombedarf ist hoch, und bei der Miniaturisierung sind endgültige Grezen in Sicht. In naher Zukunft könnten neue Materialien und Schaltelemente Abhilfe schaffen. David DiVincenzo denkt jedoch langfristiger und revolutionärer: „Quantencomputer unterscheiden sich vollkommen von digitalen Computern, da sie die Quantenmechanik auf grundlegender Ebene ausnutzen“, erklärt er. Seit 1993 forscht der Amerikaner auf dem damals völlig neuen Gebiet der Quanteninformationsverarbeitung.

Rechnen mit Qubits

Herkömmliche PCs rechnen mit Bits, die entweder den Wert 0 oder 1 annehmen können – so wie ein Schalter entweder an oder aus sein kann, aber nicht beides gleichzeitig. Dagegen können Quantenobjekte, wie beispielsweise einzelne Elektronen, in mehreren Zuständen zugleich existieren. Quantenmechanische Bits, genannt Qubits, können sich in einer Überlagerung von 0 und 1 befinden. Hinzu kommt die sogenannte Verschränkung: Quantenobjekte können in einer Weise zusammenwirken, dass sie als Einheit betrachtet werden müssen, unabhängig von ihrer Entfernung voneinander.

Dank dieser Eigenarten könnten Quantencomputer bestimmte Rechenprozesse enorm beschleunigen. „Mit zehn Qubits kann man 210 Rechenoperationen gleichzeitig ausführen. Die mögliche Rechenleistung steigt exponentiell mit der Anzahl der Qubits“, erklärt DiVincenzo. Im Prinzip könnten Quantencomputer beliebig große Zahlen schnell in ihre Primfaktoren zerlegen. Sie würden damit der modernen Verschlüsselungstechnologie ihre Grundlage entziehen, denn die basiert darauf, dass dafür bislang kein effizientes Verfahren bekannt ist. Außerdem würden sie die Möglichkeit bieten, absolut abhörsicher zu kommunizieren. Eine weitere Anwendung ist die Simulation kleinster Teilchen in Gasen und Festkörpern, um beispielsweise die Entstehung von Magnetismus oder Supraleitung besser zu verstehen – eine Aufgabe, die heutige Rechner hoffnungslos überfordert.

Doch nicht alle Rechenanweisungen (Algorithmen), die heutige Computer nutzen, können auf Qubits sinnvoll übertragen werden. Und bisher kann niemand sagen, ob es überhaupt jemals praxistaugliche Quantencomputer geben wird. „Quantencomputer stehen derzeit auf einer Entwicklungsstufe, die sich mit derjenigen von Rechenmaschinen um 1948 vergleichen lässt“, erklärt DiVincenzo. „Damals existierten viele grundlegende Algorithmen, die heutige Computer verwenden, noch gar nicht. Ihre Entwicklung wurde erst Jahrzehnte später durch die Verbreitung von Computern in vernünftiger Größe stimuliert.“ Doch wer weiß, welche ungeahnten Anwendungen es noch geben könnte? Gründe gibt es genug, die Gesetze der kleinsten Teilchen eingehend zu erforschen. Schon heute arbeitet man in der Nanotechnologie regelmäßig mit so winzigen Objekten, dass quantenmechanische Effekte eine immer größere Rolle spielen.

Die Umsetzung fordert heraus

Es gibt viele Möglichkeiten, ein Quantensystem herzustellen, sei es mithilfe von einzelnen Atomen oder Molekülen, Flüssigkeiten oder Festkörpern. Die Rolle der Qubits könnten beispielsweise Elektronenspins oder Photonen übernehmen. Doch damit ein Quantencomputer wirklich funktionieren kann, muss er fünf Kriterien erfüllen. Für die Aufstellung dieser Kriterien, auch „DiVincenzo Criteria“ genannt, ist DiVincenzo in der Fachwelt bekannt. Eines lautet: Die Qubit-Zustände müssen sich deutlich länger überlagern, als eine Rechenoperation dauert. In der Praxis ist das eine große Hürde, denn sobald ein Quantenzustand mit seiner Umgebung in Wechselwirkung tritt, geht die Überlagerung verloren; durch diese sogenannte „Dekohärenz“ wird die Rechnung unterbrochen. Um den Kontakt mit der Umgebung zu minimieren, sind bisher starke Kühlung, Magnetfelder oder Vakuum nötig. DiVincenzo hält es für möglich, dass Supraleiter das Kriterium demnächst erfüllen könnten. „Wir sind nur noch einen Faktor 10 entfernt – in den letzten Jahren haben wir die Dekohärenz schon um den Faktor 1 000 gesenkt.“

Weiterhin hat DiVincenzo Ideen erarbeitet, wie sich sogenannte Quantenpunkte – wenige Nanometer kleine Strukturen – für Rechenprozesse nutzen ließen. In Deutschland wird er in Zusammenarbeit mit Experimentalphysikern die Umsetzung vorantreiben.

Zukunftspläne

Seit Januar 2011 baut DiVincenzo das Institut für Quanteninformation an der RWTH Aachen auf sowie das Institut für theoretische Nanoelektronik am Forschungszentrum Jülich. Nebenbei bereitet er Vorlesungen vor – ungewohnt nach 26 Jahren in der Industrieforschung: „Als ich bei IBM anfing, musste man keine Anträge für neue Forschungsprojekte schreiben, man konnte sehr frei arbeiten“, schwärmt er. Seitdem hat sich viel geändert. „Heute ist die Arbeit wesentlich programmorientierter.“ Dies mag seine Entscheidung beeinflusst haben, dem Ruf nach Deutschland zu folgen. Insbesondere die fachübergreifenden Pläne der Institute in Jülich und Aachen sind ganz nach DiVincenzos Geschmack: „Hier werden Festkörper- und Nanowissenschaften mit der Informationstechnologie kombiniert.“ Mit einem Team von Top-Forschern wird er neue Ideen und Experimente entwickeln und maßgeblich am Aufbau der Forschungsstandorte mitwirken.