Quanten-Computing: Aufbruch in das Zeitalter der Superrechner

Gleichzeitig mit der Entwicklung der Quantentheorie ist die Miniaturisierung in der Computertechnologie immer weiter fortgeschritten, und die Binärdaten werden über immer kleinere Schaltkreise übertragen. Es ist abzusehen, dass Daten früher oder später in atomarer Form gespeichert werden – und genau an diesem Punkt werden die konventionelle Computertechnologie und die Quanten-Datenverarbeitung miteinander aufeinander treffen.

„Die Quanten-Datenverarbeitung beginnt da, wo das Gesetz von Moore endet, also etwa im Jahr 2020, wenn die Schaltkreise bis auf Atom- und Molekülgröße geschrumpft sind“, so Isaac L. Chuang, früherer IBM-Forscher im Bereich der Quanten-Computer und Wissenschaftler am MIT. An diesem Punkt gibt es grundsätzlich zwei Strategien: die Atome wie herkömmliche Computer agieren zu lassen oder neue Computermodelle auf der Grundlage des Quantenverhaltens der Atome zu entwickeln.

Die Crux bei der Quanten-Datenverarbeitung ist leider, dass das Verhalten von Atomen nur schwer gesteuert werden kann. Im Moment ist eines der größten Probleme, dafür zu sorgen, dass Quanten-Computer in einem berechenbaren Zustand bleiben. Bei den meisten bisherigen Ansätzen waren umfangreiche Fehlerkorrektursysteme erforderlich, was die theoretisch mögliche hohe Leistung eines Quantensystems wieder deutlich verringert.

Isaac L. Chuang

Das Konzept der Quanten-Datenverarbeitung ist nicht neu. Die ersten Modelle wurden in den 1970er-Jahren beschrieben, aber damals galt der Bau von funktionstüchtigen Quanten-Computersystemen bei den meisten Wissenschaftlern als ein Ding der Unmöglichkeit. 1994 kam der große Durchbruch, als der AT&T-Wissenschaftler Peter Shor zeigte, dass die Faktorisierung großer Zahlen mit Quanten-Berechnungssystemen viel schneller möglich ist als mit den bestehenden Systemen. (Dabei handelte es sich um eine rein theoretische Demonstration; das erste Computersystem mit Shors Algorithmus entstand erst 2001, und es war auch nicht besonders leistungsfähig. Später im Artikel wird dies näher erklärt.)

Seitdem wurden mehrere experimentelle Quanten-Computersysteme gebaut, meist durch Forschungs-Teams aus Wissenschaftlern und Experten kommerzieller Computerfirmen. Das Thema bleibt auch für die theoretische Physik weiter interessant, weil es mit Quantencomputern einfacher sein dürfte, das Verhalten anderer Quantenphänomene zu simulieren.