Die Datenbank der Zukunft
Quantencomputer: Forscher setzen Grover-Suchalgorithmus für Mini-Datenbank mit vier Datensätzen mittels vier verschränkter Photonen um
Es gibt es einige experimentelle Aufbauten für künftige Quantencomputer: Ionenfallen, NMR, supraleitende Schaltkreise und Quantenpunkte sind schon realisiert. Ein weiteres Konzept liegt darin, linear polarisierte Photonen zu verschränken, die dann die Daten verarbeiten sollen. Eine erste experimentelle Demonstration ist der nach Grover benannte Suchalgorithmus für Datenbanken mit vier Datensätzen. Welcher Ansatz für Quantencomputer letztlich der meistversprechendste ist, vermag heute jedoch noch niemand abzusehen.
Die beiden wesentlichen Merkmale eines Quantencomputers sind Superposition und Verschränkung. Die Superposition hat für den Quantencomputer interessante Konsequenzen. Füttert man einen Zwei-Qubit-Quantencomputer mit zwei Quantenbits (Qubits), die sich - binär dargestellt - in einer Überlagerung von 00 und 11 befinden, dann liest er zwei verschiedene Zahlen zugleich ein. Der Quantencomputer verarbeitet nun beide Eingaben simultan. Das Ergebnis ist eine Überlagerung der Rechenresultate für die beiden Eingaben 00 und 11. Beide Rechenresultate liegen also gleichzeitig vor. Sucht man nach einer gewissen gemeinsamen Eigenschaft diverser Eingabedaten, so bewältigt das ein Quantencomputer sehr viel schneller als heutige Rechner. Man füttert ihn mit einer Überlagerung diverser Eingaben und fragt dann bei der Ausgabe nach dieser gemeinsamen Eigenschaft.
Die Verschränkung der Qubits erlaubt das parallele Abarbeiten eines Algorithmus. Ein 4-Bit-Register eines Mikroprozessors kann eine aus 16 Zahlen speichern, ein 4-Qubit-Register speichert hingegen 16 Zahlen gleichzeitig, theoretisch könnte ein Quantencomputer diese Eingaben alle auf einen Schlag abarbeiten.
Quantencomputer bringen so gut wie nichts bei Iterationen, wie beispielsweise der Quadratwurzelberechnung, anders jedoch bei parallel abzuarbeitenden Algorithmen, speziell dann, wenn es gilt, einen Datenbestand nach einem gewissen Merkmal zu durchforsten.
Ein typischer Fall ist die Suche in unsortierten Datenbanken nach einem bestimmten Datensatz, die Telefonbuch-Rückwärtssuche ist hier ein besseres Beispiel als ein Wörterbuch. Hat die Datenbank n Einträge, aus der ein bestimmter Eintrag herauszusuchen ist, so muss ein Computer letztlich einen Eintrag nach dem anderen durchprobieren, bis er den gesuchten Eintrag gefunden hat; im Mittel wird er bis dahin die Hälfte der Einträge, also n/2, durchsucht haben. Folglich ist die Suchzeit in der Datenbank der Zahl n der Einträge proportional.
Dank Parallelverarbeitung, genauer gesagt, der Superposition verschiedener Eingabedaten, schafft das der Grover-Algorithmus für künftige Quantencomputer sehr viel schneller, denn er verarbeitet alle Einträge simultan mittels Superposition, somit variiert die Suchzeit nicht mehr linear, sondern mit der Quadratwurzel von n - ein bei sehr großen Datenbeständen dramatischer Effekt.
Ein solches Experiment mit vier Einträgen gelang Forschern der Uni Wien mit vier verschränkten, linear polarisierten Photonen, siehe ihr Bericht in der Ausgabe vom 10. März 2005 der Zeitschrift Nature in Band 434 auf Seite 169. Die Manipulation dieser vier Photonen rechnet als Quantencomputer, jedoch nicht fehlerfrei: In 90 Prozent aller Fälle findet der rudimentäre Quantencomputer - ohne Fehlerkorrektur - das richtige Ergebnis. Für jeden Durchlauf müssen die Experimentatoren allerdings erneut vier verschränkte Photonen präparieren.