Was ist ein Quantencomputer?

Schon seit vielen Jahrzehnten träumen Forscher davon, einen Computer zu bauen, der alles bisher Dagewesene in den Schatten stellt. Es hat bereits viele Versuche gegeben, statt Elektronen zum Beispiel Lichtteilchen als Träger von Informationen zu verwenden, aber bislang waren alle diese Versuche recht erfolglos. Große Hoffnung wird deshalb auf den Quantencomputer gelegt.

Ein Quantenprozessor funktioniert nicht nach den gängigen Regeln der Physik und Elektronik, sondern basiert auf sogenannten quantenmechanischen Zuständen. Eine weitere wichtige Rolle spielen das Superpositionsprinzip und die quantenmechanische Verschränkung.

Zustände sind entscheidend

Bei einem normalen Computer werden Daten binär aufbereitet, nämlich als 0 und 1. Die 1 bedeutet, dass Strom fließt, ei 0 fließt kein Strom. Auch ein Quantencomputer hat eine binäre Struktur, die Qbits. Diese befinden sich in einem zweidimensionalen Raum und können verschiedene Zwischen-Zustände einnehmen. Bei der quantenmechanischen Verschränkung zum Beispiel kann es eine Interaktion zweier Teilchen geben, ohne dass diese physisch nahe beieinander sein müssen. Diese Fähigkeit von unterschiedlichen Zuständen wird beim Rechnen ausgenutzt. Derzeit gibt es allerdings nur Quanterechner in Labors, die bis zu 8 Qbits leisten können. Ein solcher Rechner ist von IBM gebaut worden, wird allerdings noch nicht kommerziell eingesetzt. Er soll bis zu 20 Qbits schnell sein.

Das große Problem bei Quantencomputern ist, dass man die Teilchen, in der Regel Ionen, so lange in einem bestimmten stabilen Zustand halten muss, wie man eine Berechnung einstellt. Das ist nicht einfach und man kann einen solchen Computer nicht einfach aus bestehenden Teilen bauen. Die Qbits bilden zunächst ein Quantenregister. Dabei wir eine bestimmte Zahl von Ionen aufgereiht, diese spiegeln die Informationen wider. Sie befinden sich in einem bestimmten Energiezustand, der zwar verändert werden kann, aber gleichzeitig gegen Störeinflüsse von außen immun sein muss. Ein Computer mit vier Qbit kann vier mal vier Zustände haben, bei 20 Qbits sind es bereits 2 hoch 20 verschiedene Zustände. Da müssen bereits die ersten Supercomputer passen.