Science
06.02.2017

Umsetzbarer Entwurf für Quantencomputer präsentiert

Ein internationales Forscherteam hat eine Bauanleitung veröffentlicht, mit der sich ein skalierbarer Quantencomputer konstruieren lassen soll. Die Umsetzung bleibt schwierig.

Quantencomputer könnten in Zukunft Berechnungen erlauben, die aus heutiger Sicht unmöglich erscheinen. Das liegt daran, dass sie nicht auf das binäre Rechenmuster, dem heutige Rechner folgen müssen, angewiesen sind. Ein Quantenbit kann im Gegensatz zu seinem klassischen Pendant nicht nur die Werte eins oder null annehmen, sondern auch beliebige Mischungen aus beiden Zuständen, sogenannte Überlagerungen. Wo in der klassischen Informationsverarbeitung die Bits immer hierarchisch nacheinander geschaltet werden müssen, können in der Quanten-IT hochgradig parallele Berechnungen vorgenommen werden. Wie groß die Vorteile gegenüber heutigen Computern bei herkömmlichen Berechnungen sind und welche neuen Probleme sich mit Quantenrechnern lösen ließen, ist noch nicht abschließend geklärt.

Das liegt daran, dass ein umfassendes Modell der Grundlagen für Informationsverarbeitung mit Quantenrechnern gerade erst entwickelt wird. Aus heutiger Sicht ist es sogar schwierig zu prüfen, ob es sich bei einer Maschine tatsächlich um einen Quantencomputer handelt oder nicht. Das hat die Debatte um den D-Wave-Computer gezeigt. Wie ein echter universal einsetzbarer Quantencomputer gebaut werden könnte, war bis vor wenigen Tagen eine ungelöste Frage. Ein Team von Wissenschaftlern hat jetzt in der Fachpublikation Science Advances einen Artikel veröffentlicht, der eine Blaupause für einen solchen Quantenrechner darstellt. Die Forscher sprechen von einem Durchbruch und sind bereits dabei, einen Prototypen zu entwickeln. Ein universeller Rechner, der sich mit heutigen Computern messen könnte, wäre in 10 Jahren realisierbar, wie der Independent schreibt.

Weiter Weg

"Es ist der heilige Gral der Wissenschaft, einen Quantencomputer zu bauen. Und wir veröffentlichen jetzt einen realistischen Bauplan für einen solcjhen Rechner im großen Maßstab. Das wird die Welt verändern. Wir werden Dinge tun können, die wir uns bislang nicht zu träumen gewagt hätten", sagt Winfried Heisinger von der Sussex University dem Independent. Kleine Quantencomputer sind in Labors bereits konstruiert worden, allerdings mit lediglich einigen wenigen Quantenbits, was ihre Nützlichkeit einschränkt. Das liegt daran, dass die Quantensysteme extrem empfindlich sind und bei der geringsten Störung ihre Rechenkraft verlieren. Bisherige Prototypen nutzen deshalb oft Laser, mit denen einzelne Bits aus Atomen, Ionen oder Molekülen manipuliert wurden. Dieser Ansatz lässt sich kaum ökonomisch sinnvoll skalieren.

Viele Forscher zweifelten deshalb schon an der grundsätzlichen Umsetzbarkeit der Idee. Die jetzt veröffentlichte Bauanleitung skizziert einen Computer, der mit heutigen Mitteln gebaut werden kann. Statt Lasern kommen Ionenfallen zum Einsatz, die durch Mikrowellenfelder über die Stromzufuhr kontrolliert werden - ein ähnlicher Ansatz wie beim allerersten Quantencomputer-Konzept, das der Physik-Nobelpreisträger Richard Feynman 1982 vorgeschlagen hat. Die Forscher haben offenbar viele noch ungelöste praktische Probleme für eine solche Maschine gelöst: "Das System lässt sich für beliebige Rechenleistungen skalieren. Wir bauen schon am Prototypen, in zwei Jahren werden wir fertig sein", sagt Heisinger. Die Forscher suchen bereits nach Industriepartnern, um einen wirklich großen Quantencomputer zu bauen. "Wir brauchen die Investoren, das System wird bis zu 100 Millionen Pfund (rund 116 Millionen Euro) kosten", sagt Heisinger. Der in der Bauanleitung vorgeschlagene universelle Quantencomputer hätte die Größe eines Fußballplatzes, wenn er mit heutigen Mitteln konstruiert würde.