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Lokales

Weiterentwicklung bei Quanten-Computern
Veröffentlicht am 04.01.2007 12:30:23

Anton Zeilinger und sein Team haben nun einen entscheidenden Schritt im Bereich der Quanten-Computer gemeistert. Bis jetzt musste man für einfache Operationen die Rechenschritte sehr oft, mitunter bis zu tausend Mal, wiederholen, da bei jeder Messung das Ergebnis respektive der Zustand zufallsbedingt verändert wird. Die aktuelle Ausgabe der "Nature" berichtet detailiert über die Lösung des Problems. 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 (derzeit an der Uni Innsbruck im gemeinsamen Institut für Quantenoptik und Quanteninformation) 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.

Mehr Informationen dazu auf:

Quantum; Wikipedia: Quantencomputer; Nature

wan/quantum