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Rechentechnik: Ein Bauplan für einen Quantencomputer

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Moritz Rosenfeld an Februar 20, 2017 - 12:13 pm in Security

Bisher waren Quantencomputer kaum mehr als Tüfteleien im Labor, äußerst interessante Spielzeuge, aber noch ohne praktischen Nutzen. Ein internationales Team von Forschern hat nun im Journal Science Advances eine Reihe von aktuellen Techniken zu einer Architektur kombiniert, die den Bau beliebig großer Quantencomputer möglich machen soll. Dabei kommen sie vor allem ohne die große Zahl präsize kalibrierter Laserstrahlen aus, die bisher für solche Anlagen benötigt wurden.


Anders als digitale Computer nutzen Quantencomputer keine Bits mit einfachen Ein-oder-Aus-Zuständen. Es gibt viele Möglichkeiten, ein einfaches Bit zu konstruieren. Bits wurden schon mit Lochstreifen, Schallwellen, Relais, Magnetkernen, Lichtsignalen, Elektronenröhren und vielen anderen Dingen gebaut. Alle Konstruktionsweisen hatten ihre Berechtigung und verschiedene Vor- und Nachteile.

Qubits können mehr als Ein und Aus

Mit Quantencomputern ist es nicht anders. Sie benutzen Qubits, also Quantenbits, die physikalische Systeme sind, die bei Messungen immer nur in einem von zwei Zuständen angetroffen werden können. Es hängt aber vom tatsächlichen physikalischen Zustand des Qubits ab, wie hoch die Wahrscheinlichkeit ist, es bei der Messung in dem einen oder in dem anderen Zustand anzutreffen.

Die Messung ist dabei vergleichbar mit einer Befragung, bei der eine Zeichnung von einem Tier gezeigt wird und die Befragten nur mit Fisch oder Säugetier antworten dürfen. Zeigt sie eine Forelle, werden alle Antworten Fisch lauten, bei einem Hund immer Säugetier. Bei einem Wal oder einem Walhai werden die Antworten schon weniger eindeutig sein. Einige der Befragten würden den Wal zu den Fischen und den Walhai zu den Säugetieren rechnen. Der Grund dafür ist, dass die Zeichnung Merkmale von beiden möglichen Antworten aufweist, aber nur eine gegeben werden darf. Gleichzeitig kann im vorhinein niemand erahnen, welche Antwort ein Befragter geben wird, wenn ihm zum Beispiel ein Bild von einem Walhai gezeigt wird. Bei einem Qubit ist es ganz ähnlich.

Qubits aus Licht

Anders als bei Bildern lässt sich diese Eigenschaft von Qubits aber mathematisch präzise beschreiben und die genaue Wahrscheinlichkeit ausrechnen, mit der ein bestimmter physikalischer Zustand bei der Messung das eine oder das andere Resultat erzeugt. In der Quantenphysik gibt es viele Phänomene, die sich prinzipiell für den Bau eines Qubits eignen würden. Photonen, also einzelne Lichtteilchen, wären zum Beispiel als Qubits geeignet.

Photonen haben immer eine ausgezeichnete Schwingungsrichtung quer zu ihrer Flugbahn, die Polarisation. Die Polarisation kann senkrecht oder waagerecht sein oder einen Winkel dazwischen einnehmen. Nur in den Zwischenzuständen ist das Ergebnis der Messung ungewiss. Tatsächlich ist es noch komplizierter, denn es gibt auch zirkulär und elliptisch polarisiertes Licht. Dort verändert sich der Winkel der Polarisation ständig mit der Zeit und damit auch die Wahrscheinlichkeit, ein bestimmtes Messergebnis zu bekommen.

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