Ein Chip, viele Wege: Fortschritt bei Quanten-Rechner. - © adobe/Yemelyanov
Ein Chip, viele Wege: Fortschritt bei Quanten-Rechner. - © adobe/Yemelyanov

Innsbruck/Wien. (est/apa) Heutige Computer stoßen an Grenzen: Sie können geknackt werden und große Mengen Speicherplatz benötigen. Künftige Quantencomputer sollen anders arbeiten: Sie sollen abhörsicher und deutlich leistungsfähiger sein als alles, was derzeit auf Schreibtischen und in Rechenzentren steht.

Anders als seine klassischen Pendants richten sich die neuen Rechner nicht nach den Gesetzen der Physik, sondern nach den quantenmechanischen Zuständen der kleinsten Teilchen, die im Moment der Messung entstehen. Derzeit wird an den Grundlagen für die neue Technologie geforscht. Innsbrucker Physiker sind um einiges weitergekommen. Sie warten mit einem Quantencomputer auf, der erstmals die Arbeit auslagern und sich selbst überprüfen kann.

Von biochemischen Vorgängen über Virtual Reality bis zur Künstlichen Intelligenz: Mit klassischer Computer-Technik lassen sich komplexe Anwendungen simulieren. Zur Simulation einer physikalischen Frage haben die Forschenden ihren Quantencomputer dazu gebracht, Arbeiten sozusagen in die Cloud auszulagern und von einem konventionellen PC erledigen zu lassen. Zudem habe ihr Quantenrechner seine Ergebnisse selbständig überprüft, berichten sie im Fachjournal "Nature".

Derzeit lassen sich auf konventionellen Computern quantenphysikalische Vorgänge in Systemen mit 20 Teilchen gerade noch simulieren. "Bei 50 Teilchen wird es schon extrem schwierig, der Berechnungsaufwand steigt exponentiell mit der Zahl der Teilchen", erklärt die Experimentalphysikerin Christine Maier vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Akademie der Wissenschaften, die zusammen mit ihren Kollegen Rick van Bijnen und Christian Kokail die Arbeit verfasst hat. Ein Quantensystem habe jedoch mit zahlreichen Teilchen aufgrund seiner besonderen Eigenschaften kein Problem.

Ein Bit ist die kleinste binäre Einheit in einem klassischen Computer, Kombinationen von 0 oder 1 sind die Basis seiner Arbeit. Quantencomputer arbeiten mit winzigen Photonen oder Ionen und haben als kleinste Einheit das Quantenbit, oder auch Qubit genannt. Qubits können zwar ebenfalls die beiden Basiszustände von 0 und 1 einnehmen. Weil die Systeme aber den Gesetzen der Quantenphysik gehorchen, können sie nicht nur entweder den einen oder den anderen, sondern auch beide Zustände gleichzeitig einnehmen, und zwar mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit, sobald man den Zustand misst. Diese "Superposition" genannte Eigenschaft erlaubt es, Kalkulationen parallel anzustellen und somit schneller zu rechnen. Da die Zustände im Moment der Messung kollabieren, können sie zudem nicht abgehört werden.

Lichtteilchen in der Falle

Rainer Blatt und seine Kollegen vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck und dem IQOQI haben ein System mit 20 individuell kontrollierbaren
Qubits gebaut. Es handelt sich dabei um 20 in Fallen gehaltene Ionen. Diesen 20 Qubit-Quantenrechner haben Maier und ihre Kollegen dann genutzt, um ein grundlegendes Modell aus der Hochenergiephysik, das Schwinger-Modell, zu simulieren. Das Modell beschreibt die Entstehung und Vernichtung von Teilchen- und Antiteilchen-Paaren im Vakuum.

Im Experiment wurden mit Laserlicht verschiedene Zustände der 20 Ionen erzeugt und gemessen. Die Messergebnisse gingen an einen klassischen PC. Dieser berechnete, wie sich die Energie der Zustände verringern ließ, um auf diese Weise den Grundzustand des Modells zu finden.

Systeme arbeiten zusammen

Konventionelle Rechner könnten solche Aufgaben gut lösen, sodass der Grundzustand des Modells bald gefunden werden konnte. "Wir verwenden die besten Eigenschaften beider Technologien: Der Quantensimulator übernimmt die rechenaufwendigen Quantenprobleme, der klassische Computer löst die restlichen Aufgaben", erklärte Maier. Die Methode sei so effizient, dass sie sich auch mit noch größeren Quantensimulatoren rechnen ließe. Laut den Forschern könnte diese Art der Zusammenarbeit bald Realität werden, arbeiten die Innsbrucker Quantenphysiker doch schon seit einiger Zeit an einem Quantencomputer mit bis zu 50 Ionen.

Auch die Schwierigkeit, dass Qubits empfindlich auf Störungen reagieren und daher unweigerlich Fehler machen, konnte gelöst werden. Zusätzliche Messungen im Quantensystem verhalfen zu mehr Stabilität. Anhand dieser Messergebnisse beurteilt der Quantenrechner selbst die Qualität der Simulation. Diese erstmals gezeigte Selbstverifikation ermöglicht noch komplexere Quantensimulationen und bringt "die Simulation von alltagsrelevanten Quantenproblemen in greifbare Nähe", betont der Theoretische Physiker Peter Zoller.