Forschergruppe der Uni Kassel will Entwicklung des Quantencomputers beschleunigen

Konzept für Superrechner

„Bändigt“ Elektronen: Mit dieser Maschine an der Universität Würzburg ist es vor mehr als zehn Jahren gelungen, den Drehimpuls von Elektronen in eine Richtung zu zwingen – eine entscheidende Voraussetzung für den Bau eines Quantencomputers. Foto: dpa

Kassel. Wenn es in unserer Hightech-Welt noch so etwas wie einen Heiligen Gral gibt, dann ist das der Quantencomputer. Doch die praktische Entwicklung der Superrechner geht nur langsam voran. Nun hat ein Forscherteam um die Kasseler Physik-Professorin Christiane Koch ein mathematisches Konzept entwickelt, das die Verwirklichung der Wundermaschinen beschleunigen könnte.

Herkömmliche Computerprozessoren funktionieren wie Schalter. Denn Bits, die kleinste Speichereinheit, kennen jeweils nur zwei Zustände: An oder Aus, Null oder Eins.

„Entsprechend lange dauern komplizierte Rechenoperationen, wie etwa die Ent- oder Verschlüsselung einer codierten Nachricht“, sagt Christiane Koch (40), Leiterin des Fachgebiets „Theoretische Physik III - Quantendynamik und -kontrolle“. Von Quantencomputern hingegen erhoffe man sich künftig wesentlich schnellere Lösungen.

Vor allem deshalb, weil sie größere Datenmengen nicht in Bits codieren, sondern mit vielen Quantenzuständen (Qbits) gleichzeitig arbeiten können. „Um eine Nachricht zu entschlüsseln, muss dann nicht mehr Schalter für Schalter umgelegt werden, das Prinzip des Quantencomputers gleicht eher einem Schieberegler“, sagt Daniel Reich (26), wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Forschungsgruppe.

Noch nicht praxisreif

Dass in der Praxis bislang noch keine ausgereiften Quantencomputer existieren, liegt unter anderem daran, dass es noch zu lange dauert, das Ergebnis einer Rechnung auszulesen, also Quantenzustände exakt zu bestimmen. „Qbits kennen nämlich nicht nur Nullen und Einsen, sondern auch die Zahlen dazwischen“, sagt der Nachwuchswissenschaftler. Welche Zahl das jeweils ist, müsse durch langwierige Messungen ermittelt werden.

Schnelleres Rechnen

Um beispielsweise Rechenoperationen mit drei Qbits zu überprüfen, seien aktuell zwei Milliarden Messungen erforderlich. „Selbst wenn jede Messung nur eine Mikrosekunde dauert, muss also schon eine Stunde gemessen werden“, sagt Prof. Koch. Mit zunehmender Qbit-Anzahl verlängere sich die Prüfzeit exponentiell. Für acht Qbits sei demnach bereits eine Messzeit von einem Jahr nötig - zumindest bislang.

Denn jetzt haben die Kasseler Forscher im Zuge einer Studie gezeigt, wie man durch geschickte Ausnutzung mathematischer Eigenschaften die Rechenoperationen von Quantencomputern wesentlich schneller überprüfen kann. „Man muss sich auf die Bestimmung von Fehlergrenzen beschränken und die Überprüfung stichprobenweise durchführen“, sagt Koch über die in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlichten Ergebnisse ihres Teams.

Für die Überprüfung der Funktionstüchtigkeit eines Quantencomputers mit acht Qbits seien so künftig nur noch drei Tage und nicht mehr ein ganzes Jahr erforderlich – wahrlich ein Quantensprung für die Entwicklung des Superrechners. Fotos: Schaffner

Von Sebastian Schaffner

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