Erwünschte Fehler

News: Erwünschte Fehler

Wer kennt das nicht: Der Computer quittiert seine Arbeit mit einem freundlichen Fehlerhinweis und verabschiedet sich mit einem blauen Bildschirm. Dass Fehler in Zukunft mal erwünscht sein könnten, würde wohl niemand erwarten. Physiker haben nun gezeigt, dass ein Quantencomputer auf Basis von Photonen funktionieren könnte - vorausgesetzt man rechnet auch mit den Fehlern.

Ein Quantencomputer wird vielleicht einmal komplexe mathematische Probleme im Moment eines Wimpernschlages lösen und die schwierigsten Passwörter knacken, ohne sich dabei sonderlich anzustrengen. Noch ist vieles Zukunftsmusik, aber Laborversuche mit bis zu sieben Qubits – damit rechnet der Computer – sind bereits gelungen. Forscher schlagen verschiedene Ansätze für die Verwirklichung des ehrgeizigen Projekts vor. Als Kandidat für ein Qubit ist unter anderem auch das Photon vorgesehen, da sich Phänomene wie Interferenz, die Überlagerung von Wellen, leicht nutzen lassen.

Leider gibt sich das Photon recht anspruchsvoll, es benötigt eine spezielle Zutat, um seinen Dienst in einem Quantencomputer zu verrichten: Nichtlineare Optik heißt das Zauberwort. Bei ihr treten zusätzliche Effekte im Vergleich zur "normalen Optik" auf, wie beispielsweise Frequenzverdopplung, und sie erlaubt es auf elegante Weise, Photonen miteinander wechselwirken zu lassen. Solche Bauelemente existieren zwar und man konnte auch zeigen, dass sie im Prinzip funktionieren, ihr großer Nachteil ist jedoch, dass sie viel zu schwach sind, um sie in einem Rechner zu verwenden. Bislang meinten Forscher, die einzige Möglichkeit einen Photon-basierenden Quantencomputer zu verwirklichen, wäre diese Elemente stärker zu machen – das stellte sich bis jetzt aber als schwer, als sehr schwer heraus.

Emanuel Knill und Raymond Laflamme vom Los Alamos National Laboratory und Gerard Milburn von der University of Queensland wählen einen anderen Ansatz (Nature vom 4. Januar 2001). Ihre Idee ist, die hohe Empfindlichkeit beim Nachweis einzelner Photonen zu nutzen und das Resultat für die Simulation eines nichtlinearen optischen Bauelements zu verwenden. Einerseits gehen zwar durch die Messung die Quanteneigenschaften des Systems verloren, andererseits haben die Wissenschaftler gezeigt, dass eine "Quanten-Fehlerkorrektur" diesen Verlust wettmachen kann.

Die Wissenschaftler meinen, dass ihr System wesentliche Vorzüge gegenüber anderen Ansätzen hätte. Zum einen funktioniert die Technik auch bei Zimmertemperatur, das macht den Einsatz in "normalen" Rechnern erst möglich, zum anderen existiert sie zu großen Teilen schon: Strahlenteiler, Quellen und Detektoren für einzelne Photonen – all das haben Wissenschaftler schon hergestellt, wenngleich die Empfindlichkeit im einzelnen noch der Verbesserung bedarf.

"Weit und breit hat man angenommen, dass Optik ohne nichtlineare Elemente kein bisschen leistungsfähiger als die zur Zeit erhältlichen klassischen Computer wäre", sagt Knill. "Obwohl die Messung in unserem Schema das System ändert, kann man sehr wohl mit Quanten rechnen. Der eigentlich unerwünschte Effekt der Messung kann als Fehler im System betrachtet werden und solange beides bekannt ist – Ort und Fehlertyp – läuft alles erstaunlich stabil. Die Entdeckung ist überraschend und unerwartet, und wir denken, dass wir damit einen nutzbaren Bauplan für einen Quantencomputer in den Händen halten. Die Herausforderung ist nun, die Ideen in die Praxis umzusetzen."

Siehe auch

Spektrum Ticker vom 3.1.2001
"Quantensprung"
Spektrum Ticker vom 20.11.2000
"Quantencomputer an der Grenze zum Chaos"
(nur für Ticker-Abonnenten zugänglich)
Spektrum Ticker vom 30.10.2000
"Einzelne Atome auf Bestellung"
Spektrum Brennpunkt-Thema vom 4.5.1999
"Magnetspeicher weisen den Weg"
Spektrum der Wissenschaft 8/98, Seite 54
"Flüssige Quantencomputer"
(nur für Heft-Abonnenten online zugänglich)