Kleinster Quantencomputer der Welt funktioniert bei Raumtemperatur

Normalerweise müssen Quantencomputer sehr stark gekühlt werden. Nur knapp über dem absoluten Nullpunkt (-273,15 Grad Celsius) sind sie stabil genug, um zu funktionieren. Der kleinste Quantencomputer der Welt kommt hingegen ohne Kühlung aus - er funktioniert bei Raumtemperatur.

Ein einziges Photon als Quantenbit

Als Quantenbit (auch Qubit genannt) nutzten die Forschende der National Tsing Hua University in Taiwan ein Photon, also ein Lichtteilchen. Anders als ein Bit in einem herkömmlichen Computer kann ein Qubit nicht nur 2 Zustände anzeigen (0 und 1, oder "aus" und "an"), sondern auch unendlich viele Zwischenzustände annehmen. 

Damit ein Lichtteilchen zu einem Qubit wird, muss es manipuliert werden. Bei der sogenannten Time-Bin-Kodierung hat das Photon die Möglichkeit, 2 Pfade mit unterschiedlicher Länge zu durchlaufen. Dabei misst man die Ankunftszeit des Photons am Ende des Pfades, um herauszufinden, ob es den kürzeren oder den längeren Weg gewählt hat.

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Das Photon kann allerdings auch beide Wege wählen, wodurch sich die Zustände überlagern. Durch das Justieren dieser optischen Pfade kann man auch spezifische Überlagerungen einstellen, die unterschiedliche Quantenzustände repräsentieren.

32-dimensionaler Speicherplatz

Normalerweise arbeiten solche optischen Quantencomputer mit Hunderten von Photonen. Die Photonen erscheinen aber nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit. "In der einen Sekunde sind sie da und in der nächsten verschwinden Sie, sagt Professor Chu Zhisong in einer Aussendung. Anstatt daher das gleichzeitige Erscheinen mehrerer Photonen zu kontrollieren, versuchten die Forscher so viel Information wie möglich auf ein einziges Photon zu packen.

Heraus kam ein Photon mit einem 32-dimensionalen Speicherplatz, also 32 möglichen Zuständen und somit Speicheroptionen. Das sein ein Rekord - noch nie wurden so viele Zustände eines einzelnen Photons erreicht.

Als Beweis, dass ihr Quantencomputer funktioniert, ließen ihn die Forscher den Shor-Algorithmus ausführen - ein Quantenalgorithmus, der Primzahlen in seine Faktoren zerlegen kann. Und tatsächlich gelang es, die Zahl 15 in ihre Primfaktoren 3 und 5 (3x5=15) zu zerlegen.

Solche Primfaktorzerlegungen sind wichtig, um etwa Verschlüsselungen in der IT knacken zu können. Bislang schaffen Quantencomputer allerdings nur sehr kleine Zahlen, die man locker auch im Kopf hinkriegen würde. Um Verschlüsselungen zu überlisten, ist man wohl noch Jahrzehnte entfernt.

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Für die Forscher ist ihr Quantencomputer dennoch ein Durchbruch, da er bei Raumtemperatur funktioniert, klein und günstig sowie nicht anfällig für Interferenzen ist. "Ich hoffe wirklich, dass wir in Zukunft alle einen optischen Quantencomputer auf unserem Schreibtisch haben werden", so der Präsident der Uni.