Computer der Zukunft

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24.10.2013
von #mintmagazin

Computer der Zukunft

„Der Computer der Zukunft wiegt vielleicht nicht mehr als 1,5 Tonnen“, war 1949 in der Zeitschrift „Popular Mechanics“ zu lesen. Damals eine mutige Prognose, füllten die Rechenmaschinen seinerzeit doch ganze Hallen. Im Laufe der Zeit wurden sie immer kleiner und trotzdem leistungsfähiger. Seit Beginn des Silizium-Zeitalters hat sich die Dichte der Transistoren auf einem Chip im Mittel alle 18 bis 24 Monate verdoppelt.

Wo ist die Grenze?

Doch wie weit kann man an der Immer-kleiner-Schraube drehen? Die Grenze setzt die Physik: Wenn die Schaltkreise auf eine atomare Größe geschrumpft sind, beginnen Quanteneffekte eine Rolle zu spielen, die bislang Computeringenieure nicht zu interessieren brauchen. Elektronen können dann dünne isolierende Schichten durchtunneln und von einem Schaltkreis zum anderen springen. Das ist so, als ob man vor einem Berg steht und darauf wartet, durch den Berg hindurch auf die andere Seite zu gelangen, anstatt drüber zu klettern. Eigentlich ist das unmöglich, nicht jedoch in der Quantenwelt. Hier zählt das Tunneln zum Alltag.

 

Vom Bit zum Qubit

Wenn schon die Quantenmechanik den Plan durchkreuzt, immer kleinere Chips zu konstruieren, dann bauen wir eben Quantencomputer und nutzen die Phänomene der Quantenmechanik, um damit zu rechnen.

Bei einem herkömmlichen Rechner basiert jede Information auf Bits, die nur die Werte 0 oder 1 annehmen können. Ein künftiger Quantenrechner würde statt der Bits nun Qubits verwenden. Das besondere daran: Jedes Qubit kann nicht nur die Werte 0 oder 1, sondern jede beliebige Überlagerung von 0 und 1 annehmen – also 0 und 1 gleichzeitig. Dieses sogenannte Superpositionsprinzip ist eines der Fundamente der Quantentheorie und bestimmt das Verhalten von Atomen und Elementarteilchen. Wird ein Qubit beispielsweise durch den Spin eines Elektrons repräsentiert, dann kann der Spin aufwärts zeigen – das wäre die Eins – oder abwärts – die Null. Das Elektron kann aber auch in einem Zustand sein, in dem der Spin gleichzeitig nach oben und nach unten weist. Das Elektron ist also eine Überlagerung von zwei messbaren Zuständen – Spin up oder Spin down –, wobei jedem der Messergebnisse eine Amplitude zugeordnet wird, die mit der Wahrscheinlichkeit zusammenhängt, das entsprechende Messergebnis zu finden. Die Natur eines Objektes in der Quantenwelt ist also uneindeutig, ja es weigert sich sogar, sich auf einen Ort festlegen zu lassen. Diese 1920 vom Physiker Werner Heisenberg entdeckt „Unschärfe“ bedeutet nichts anderes, als das sich der konkrete Aufenthaltsort eines Objekts nur als Wahrscheinlichkeit schätzen lässt. „Wer über die Quantenmechanik nachdenken kann, ohne wirr im Kopf zu werden, hat sie nicht wirklich verstanden“, so der dänische Nobelpreisträger Niels Bohr, der als einer der Begründer der Quantenmechanik gilt.

 

Gigantisches Potenzial

Ein klassischer Computer braucht also zwei Bits für 0 und 1, ein Quantencomputer erledigt das in einem Qubit. Aber wo ist da der Vorteil? Er wird erst sichtbar, wenn sich mehrere Elektronen überlagern. So können 3 Elektronen mit ihren Spins bereits 23, also acht Zahlen auf einmal speichern. Und jetzt kommt’s: Eine Ansammlung von 300 Elektronen, die je ein Qubit speichern, könnte mehr Werte enthalten als das Universum Atome, nämlich 2300! Wenn man nun diese Teilchen von außen mit Laserpulsen oder Radiowellen in einer ganz bestimmten Weise beschießt, d.h. einen Algorithmus an ihnen ausführt, dann werden alle 10300 Zahlen gleichzeitig verarbeitet. Angenommen, die 10300 Zahlen wären 10300 Lösungen eines mathematischen Problems, dann könnte ein Quantencomputer sie im Handumdrehen

Nun die schlechte Nachricht: Die Teilchen besitzen zwar gleichzeitig eine riesige Anzahl an Zuständen, behalten diese aber für sich. Die Überlagerung besteht nur so lange fort, wie sie unbestimmt, also nicht durch Messungen gestört und verändert wird, sprich: bis jemand hinschaut. Das bedeutet, dass die Teilchen, aus denen man einen Quantencomputer konstruiert, hermetisch abgeriegelt werden müssen. Ein kleiner Kontakt mit Außen, und alles ist futsch, genannt Dekohärenz. Werden die Teilchenzustände am Ende der Berechnung gemessen, dann verschwinden alle 10300 parallelen Zustände bis auf einen einzigen, der zufällig übrig bleibt. Damit ist man auch nicht weiter als mit einem herkömmlichen Computer. Zum Glück liefert die Quantenmechanik einige Tricks, um ihr mehr als Zufall abzuringen. So können sich Amplituden verstärken oder auslöschen. Für manche mathematischen Probleme gibt es nun Algorithmen, die diese Interferenzen nutzen, um auf einem Quantencomputer tatsächlich schneller zur Lösung eines Problems zu kommen. Peter Shor fand 1994 erstmals einen solchen Quantenalgorithmus: Damit lässt sich eine Zahl exponentiell schneller in ihre Primfaktoren zerlegen als mit jedem klassischen Algorithmus.

 

Der Praxistest

Die große Herausforderung besteht aber darin, einen Quantencomputer zu bauen. Die Qubits müssen isoliert sein – sonst stoppt die Berechnung. Sie müssen aber stark miteinander wechselwirken, sonst bilden sie kein gemeinsames System. Und sie müssen exakt messbar sein – sonst liefert die Rechnung kein Resultat. Dabei gelang es bereits, Quantencomputer mit wenigen Qubits zu realisieren. 1998 einen mit zwei, 1999 mit drei, 2000 mit fünf und 2001 mit sieben Qubits. Sie nutzten alle die Kernspintomografie. Die miteinander wechselwirkenden Kernspins eines mehratomigen Moleküls bilden die Qubits, die durch gepulste Radiowellen programmiert werden. Ein Tomograf, ähnlich dem Gerät im Krankenhaus, detektiert schließlich das Signal, das die Atome abgeben, und fängt somit das Rechenergebnis auf. Der 7-Qubit-Rechner war in der Lage, mit dem Shor-Algorithmus die Zahl 15 in die Faktoren 3 und 5 zu zerlegen.

Ein Quantennotebook wird man also so bald nicht kaufen können. Trotzdem lohnen die Experimente, denn die Wissenschaftler lernen viel über die seltsame Welt der Quanten. 

 

Interferenz von Quantenobjekten

Sendet man z.B. Elektronen auf einen Doppelspalt, zeigen die detektierten Teilchen eine Verteilung wie bei Interferenzversuchen mit Licht am Doppelspalt. Erwarten würde man, dass die Elektronen entweder durch den einen oder den anderen Spalt gehen. Das Muster tritt auch auf, wenn die Elektronen einzeln emittiert werden: Das Elektron interferiert „mit sich selbst“. Durch welchen Spalt das Elektron beim Doppelspaltversuch geht, ist objektiv unbestimmt. Würde das Elektron durch genau einen der beiden Spalte gehen – ohne dass ich weiß, durch welchen –, würde man die Summe der Einzelspaltverteilungen und keine Interferenz bekommen. Auch die Vorstellung, dass sich das Elektron teilt, ist falsch: Dann erhielte man ein anderes Interferenzmuster. Bei einer Messung, durch welchen Spalt das Elektron geht, erhält man hingegen stets eindeutige Messergebnisse. In der Quantenphysik wird ein Experiment durch eine Messung vollständig verändert.

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   Weitere Informationen:

   Zeit - Online: Dieser Chip rechnet besser als ein Roastbeef-Sandwich  

   Quantencomputer I

   Quantencomputer II

   Film: Der Quantencomputer wird erwachsen

 

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