Schnellere Quantencomputer

Forscher entwickeln eine Technik, mit der sich Quantenbits schneller schalten lassen

Quantencomputer, so das Versprechen, sind herkömmlichen Rechnern in bestimmten Disziplinen fundamental überlegen. Konkret sind das die Probleme, bei denen die Rechenzeit mit dem Schweregrad des Problems nicht mehr polynomial, sondern exponentiell wächst. Es sind aber vermutlich nicht alle Probleme dieser Klasse vom Quantencomputer lösbar. Und wenn nicht nur die Rechenzeit exponentiell, sondern auch der nötige Speicher polynomial wächst, kommt man mit Qubits wahrscheinlich auch nicht weiter (an dem "wahrscheinlich" sind übrigens wohl nicht die Physiker, sondern die Mathematiker Schuld, die da noch ein paar wichtige Beweise schuldig sind).

Trotzdem reicht dieser Geschwindigkeitszuwachs schon völlig aus, all die in Aufregung zu versetzen, deren Tätigkeit an der Langwierigkeit der Lösung von Aufgaben hängt, deren Komplexität polynomial wächst. Manche Verschlüsselungsverfahren (die auf der Primzahlfaktorisierung beruhen) lassen sich dann in kürzester Zeit aushebeln. Bei anderen (etwa AES) halbiert sich faktisch hingegen bloß die Schlüssellänge.

Obwohl der Quantencomputer also so flott rechnet, werden wir auch in Zukunft auf eines nicht verzichten müssen: die stolze Angabe der Taktgeschwindigkeit. Vor ein paar Jahren haben Forscher ausgerechnet, in welche Bereiche die Technik vorstoßen müsste, um einen tatsächlichen Nutzen zu erreichen.

Wichtig wird dabei sein, dass möglichst viele Operationen an Qubits gleichzeitig ausführbar sind und dass auch örtlich voneinander entfernte Qubits miteinander wechselwirken können. Ist das der Fall, genügt schon eine Taktfrequenz von einem Drittel Hertz, um einen 576-Bit-Zahl in weniger als einem Monat zu faktorisieren (wofür PCs weitaus länger brauchen). Sind allerdings nur die jeweils benachbarten Qubits verschränkt (wie es vermutlich beim D-Wave 2 der Fall ist), benötigt der Quantencomputer für dieselbe Leistung schon eine Taktfrequenz von 27 Hertz.

Wer einen Quantencomputer bauen will, muss schon bei der Auswahl des Systems auf diese Anforderungen achten. Ionenfallen, wie sie etwa die Innsbrucker Physiker gut beherrschen, schalten zum Beispiel schnell, brauchen aber mehr Zeit für die Übertragung der Zustände. Auf Supraleitung basierende Qubits sind äußerst schnell (bis in den Gigahertz-Bereich), sind aber gleichzeitig auch sehr instabil mit Dekohärenzzeiten im Mikrosekundenbereich.

Ein viel versprechender Kandidat für Quantencomputer sind auch die Quantenpunkte. Schon dass sie aus einem Halbleitermaterial bestehen, lässt sie für die Elektronik-Branche spannend erscheinen. Die Ladungsträger sind hier in ihrer Beweglichkeit so eingeschränkt, dass sie nur noch bestimmte energetische Zustände einnehmen können. Ihre Anregungszustände (als Quasiteilchen Exzitonen genannt) sind also quantisiert.

Es handelt sich bei den Quantenpunkten allerdings nicht um einzelne Atome, sondern um Nanokristalle, die aus um die 1000 Atomen bestehen. Dass Quantenpunkte nicht deutlich größer oder kleiner sind, liegt an der Wellenlänge der Elektronen, die je nach Energie ungefähr in diesem Bereich liegt. Für die Elektronen gibt es damit bestimmte Bereiche, in denen sie sich gut aufhalten können, und andere, in denen ein Aufenthalt eher unwahrscheinlich ist.

Als Schalter in einem Quantencomputer können die Forscher auf unterschiedliche Eigenschaften des Quantenpunktes setzen. Insbesondere der Spin ist hier interessant. Er zeigt eine vergleichsweise lange Dekohärenzzeit (bis er seine Quanteneigenschaften verliert) und lässt sich von außen manipulieren. Allerdings hapert es an der Geschwindigkeit.

In einem Paper in der Wissenschaftszeitschrift Nature zeigt ein US-Forscherteam nun, wie sich dabei erhebliche Fortschritte erzielen lassen. Ihre Lösung besteht darin, sowohl Spin als auch Ladung der im Quantenpunkt angeregten Elektronen zu nutzen. Die Spin-Eigenschaft sorgt dabei für Stabilität, während die Ladung den Forschern den Angriffspunkt bietet, um das Qubit schneller auf einen bestimmten Wert einzustellen.