Spektrum: Werden wir in fünf Jahren mit Quanten-Supercomputern arbeiten?

Zoller: Mit Sicherheit nicht. Vergleichen wir das Quantencomputing mit der klassischen Informatik. Dann sind wir heute ungefähr in der Situation der dreißiger Jahre, als Turing, Shannon und andere die mathematischen Theorien der Berechnung und der Kommunikation bereitstellten. Zu dieser Zeit gab es an Hardware allenfalls eine Spielwiese, gemessen am heutigen Stand: ein paar Röhren, mehr nicht. Das hat die Leute nicht daran gehindert, weit gehende Theorien zu entwickeln.

Genau so geht es uns heute. Wir beginnen allmählich zu verstehen, was Quanteninformation ist. Wir haben gerade die Spitze eines Eisbergs entdeckt, unter der noch eine große Menge an Theorie auf ihre Entdeckung wartet. Heute ist die Theorie der Praxis weit voraus. Wir beherrschen gerade mit Mühe einige wenige Qubits auf unserer Spielwiese. Das hindert uns nicht, über sehr interessante Berechnungen nachzudenken, die um die 1000 Qubits erfordern würden.

Spektrum: Wie weit sind wir von konkreten Anwendungen entfernt?

Zoller: Wenn nicht der große überraschende Durchbruch kommt – vergleichbar der Erfindung des Transistors –, dann werden wir in den nächsten zwanzig Jahren keinen Quantencomputer sehen, der große Zahlen nach dem Algorithmus von Peter Shor faktorisiert oder ähnlich spektakuläre Dinge tut.

Aber man soll nicht immer nur gebannt auf den Mount Everest schauen. Es gibt unterwegs eine Menge attraktiver Nebengipfel, zum Beispiel für Quantenkryptographie, zur vertraulichen Datenübertragung und zur Simulation von quantenmechanischen Systemen durch Quantencomputer. Oft ist auch der Weg interessanter als das Ziel selbst.

Wir werden in wenigen Jahren Quantencomputer mit zehn bis zwanzig Qubits zur Verfügung haben.

Spektrum: Welche Implementierungen werden in nächster Zeit realisiert werden?

Zoller: Eine Vorreiterrolle kommt sicherlich der Quantenoptik zu. Man kann schon heute mit Laserstrahlen den quantenmechanischen Zustand von Atomen manipulieren, und genau das braucht man für einen Quantencomputer. Außerdem weiß man aus Experimenten, dass solche Systeme verhältnismäßig wenig unter Dekohärenz leiden. Das heißt, der Kollaps der quantenmechanischen Wellenfunktion, der den Überlagerungszustand und damit das Ergebnis der Berechnung zerstört, lässt sich hinreichend lange unterdrücken, indem man das System sorgfältig gegen seine Umgebung abschirmt. Andere Verfahren sind prinzipiell nicht so weit von der Quantenoptik entfernt – Kernspinresonanz (NMR) beispielsweise. Dabei dienen interne Freiheitsgrade – insbesondere der Kernspin – als Qubits.

Spektrum: Wie weit ist das Problem der Speicherung von Qubits gelöst?

Zoller: In nahezu idealer Weise. Ob wir nun Ionenfallen nehmen oder die internen Zustände bei der NMR, wir können einen Quantenzustand im Prinzip beliebig lange speichern, bevor Dekohärenz eintritt – oder jedenfalls weitaus länger, als bis sie bei einer Rechenoperation eintritt.

Spektrum: Wie lange?

Zoller: Wenn Sie heute einem Experimentalphysiker den Arm auf den Rücken drehen, dann sagt er Ihnen zu, dass er einen Quantenzustand über eine Stunde hinweg halten kann. Das würde reichen. Und in den letzten Jahren haben sich immer mehr experimentelle Nachweise dafür angesammelt, dass diese optimistische Einschätzung tatsächlich zutrifft.

Spektrum: Das war also der einfache Teil. Und wo ist der schwierige?

Zoller: Beim Rechnen. Genauer: bei der Konstruktion von Zwei-Qubit-Gattern.

Man muss ja, um Informationen zu verknüpfen, die Zustände zweier Qubits quantenmechanisch miteinander verschränken. Dabei muss man so genannte konditionelle Dynamik betreiben, das heißt, in Abhängigkeit vom Zustand des einen Qubits den des anderen verändern. Man schafft sozusagen Schrödinger-Katzen.

Das ist schwierig. Man muss den Zustand des Systems kontrollieren, aber nicht so, dass Information über diesen Zustand anfällt. Denn das liefe auf eine Messung hinaus, und Dekohärenz wäre die Folge.

- In der Quantenoptik sind die Qubits interne Spinzustände von Ionen, die in Ionenfallen stecken, und die werden über eine kollektive Schwingung verknüpft, die wie ein Datenbus wirkt: Mit einem Laserpuls kann man den internen Zustand eines Ions auf die Schwingung übertragen.

- In der Hohlraum-Quantenelektrodynamik (cavity QED) hängt man Atome in einem Hohlraum-Resonator auf und verwendet Photonen als Datenbus.

- In der Festkörperphysik ist folgende Idee entwickelt worden: Die Qubits sind durch Elektronen in Quantenpunkten realisiert. In den Quantenpunkten wird jeweils ein zusätzliches Elektron gespeichert; dessen Spin ist der Träger des Qubits. Die Kopplung zwischen zwei Qubits wird zum Beispiel über ein Dipolfeld hergestellt. Daniel Loss von der Universität Basel und David DiVincenzo vom T.-J.-Watson-Forschungszentrum der IBM haben da Pionierarbeit geleistet.

Spektrum: Wie sind die Zukunftsaussichten der NMR?

Zoller: NMR ist eigentlich eine sehr clevere Idee, weil man mit ihr Quanten-Computing in bereits existierenden Systemen – zum Beispiel Flüssigkeiten – betreiben kann. Ihr Nachteil ist, dass die Bewegung der Kernspins stets durch einen nicht kontrollierbaren Anteil gestört wird. Diese Bewegung hat die typischen Eigenschaften einer Wärmebewegung – man spricht von der inneren Spintemperatur – und ist weit größer als der Effekt, der einen eigentlich interessiert. Man arbeitet also nicht mit reinen Quantenzuständen, sondern stets mit einem Zustandsgemisch. Das hat zur Folge, dass mit wachsender Anzahl von Qubits das Signal-Rausch-Verhältnis exponentiell schlecht wird. Das verdirbt die Skalierbarkeit.

Spektrum: Welche Realisierungsideen gibt es noch?

Zoller: In der Festkörperphysik arbeitet man intensiv an Josephson-Kontakten. Gerd Schön aus Karlsruhe hat ein Konzept vorgeschlagen, und die Gruppe von Hans Mooij in Delft (Niederlande) arbeitet an der Realisierung. Die relevanten Quantenfreiheitsgrade sind die Ladungen von Cooper-Paaren.

Der supraleitende Zustand verspricht lange Dekohärenzzeiten. Ein erstes Experiment von Y. Nakamura in Japan bei NEC bestätigt diese theoretische Vorhersage.

Bruce Kane, der inzwischen an der University of Maryland arbeitet, verfolgt die Idee, einzelne Phosphoratome in einen Festkörper zu implantieren und deren Kernspins durch von außen angelegte Elektroden zu kontrollieren. Das wäre ein NMR-Computer, der nicht unter den oben genannten Skalierungsproblemen leidet und obendrein mit einer weiter entwickelten Halbleitertechnik zu fertigen wäre. In Australien arbeitet eine achtzigköpfige Gruppe an der Realisierung der Idee.

Das klingt alles sehr viel versprechend. Allerdings muss man vorsichtig sein. Es gibt auf dem Gebiet mehr Hoffnungen als experimentelle Tatsachen. Mit Sicherheit gibt es nicht nur technische Hürden zu überwinden, sondern noch allerlei neue Physik zu entdecken.

Spektrum: Was wird man mit den Quantencomputern der näheren Zukunft tun können?

Zoller: Mit dreißig Qubits wird man den Shor-Algorithmus nicht sinnvoll rechnen können. Zunächst werden die Geräte dazu dienen, die theoretischen Behauptungen zu verifizieren. Schon am kleinen Beispiel kann man studieren, ob die theoretisch mögliche Fehlerkorrektur tatsächlich funktioniert.

Die Physiker begeistert noch etwas ganz anderes: Quantencomputer sind insbesondere quantenmechanische Systeme. Hier gibt es zum Beispiel eine Möglichkeit, Schrödinger-Katzen zu erzeugen und beliebig lange am Leben zu halten. Man kann also mit diesen Geräten Quantenphysik treiben in einer Weise, die bisher nicht möglich war. Die Leute reden vom Feynman-Lab in Anspielung auf das Fermilab und auf Richard Feynman, der ein Vordenker des Quantencomputers war. Es geht darum, die Grenzen der Quantenmechanik zum Makroskopischen aufzuzeigen.

Vielleicht stellt sich sogar am Ende heraus, dass die Quantenmechanik falsch ist, und das würde die Physiker natürlich besonders begeistern. In diesem Sinne ist ein Quantencomputer ein Labor ganz neuer Art.

Spektrum: Kann man denn Quantum-Computing auch fürs Computing verwenden, sprich für unmittelbar nützliche Zwecke?

Zoller: Es gibt im Wesentlichen zwei Anwendungen. Wenn Sie Quantenkommunikation über große Entfernungen betreiben wollen, brauchen Sie so etwas wie Zwischenverstärker (Repeater), weil die Photonen in der Glasfaser auf die Dauer absorbiert werden. Ein klassischer Repeater empfängt das Signal, reinigt und verstärkt es und schickt es weiter. Das kann in der Quantenkommunikation so nicht funktionieren, weil das Empfangen ja eine Messung impliziert. Man arbeitet stattdessen mit quantenmechanisch verschränkten, weit voneinander entfernten (EPR-)Photonenpaaren.

Um das realisieren zu können, braucht man Atome als Quantenspeicher. Ein kleiner Quantencomputer würde schon einen ganz guten Quanten-Repeater abgeben. In eine Langstrecken-Kommunikationsverbindung müsste man vielleicht alle fünfzig Kilometer ein solches Gerät einsetzen. Diese Anwendung liegt in der absehbaren Zukunft, sagen wir zehn Jahre.

Eine andere Anwendung liegt wieder in der Physik, und zwar die Simulation quantenmechanischer Systeme mit einem Quantencomputer. Ein Zahlenbeispiel: Um ein System mit 300 Spin-1/2-Teilchen auf einem herkömmlichen Computer zu simulieren, bräuchte man mehr Speicherplätze, als das Universum Atome enthält. Dagegen würde ein Quantencomputer mit 300 Qubits genügen.

Spektrum: Ein Quanten-Analogrechner?

Zoller: Das könnte man sagen – mit aller Vorsicht, denn die Fehlerkorrektur ist eher "digital" als "analog". Die großen mathematischen Probleme wird man in absehbarer Zeit nicht lösen können – es sei denn, es käme der oben genannte "Durchbruch zum Transistor". Aber solche Durchbrüche sind natürlich prinzipiell nicht vorherzusagen.

Literaturhinweise


Coherent control of macroscopic quantum states in a single-Cooper-pair box. Von Y. Nakamura, Yu. A. Pashkin und J. S. Tsai in: Nature, Bd. 398, S. 786, 1999.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 1 / 2002, Seite 86
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