HB DÜSSELDORF. Chemikalien können rechnen: Fünf Fluor- und zwei
Kohlenstoffatome haben die Zahl 15 in ihre Primzahlen 3 und 5
zerlegt. IBM-Forscher am Almaden Research Center haben diesen so
genannten Quantencomputer gebaut – einen Rechner, bei dem einzelne
Atome die Aufgaben der Mikroprozessoren und Speicherchips
übernehmen.
Die Rechenaufgabe ist zwar simpel. Es ist aber die
komplizierteste, die ein Quantencomputer bisher lösen konnte. „Jetzt
stehen wir vor der Herausforderung, Quantencomputer in die
technische Realität zu übertragen“, sagt Isaac Chuang, Chef des
Entwicklungsteams.
Auf Quantencomputer setzen Forscher große Hoffnungen. Denn die
Möglichkeiten, mit traditionellen Methoden die Leistungen der
Computer zu erhöhen, werden an ihre Grenzen stoßen. So können etwa
Halbleiterchips irgendwann nicht mehr weiter verkleinert werden.
Quantencomputer könnten dann die Lösung sein: Einzelne Teilchen
stellen ein Bit dar.
Dass ein Quantencomputer theoretisch geeignet ist, eine Zahl in
ihre Primzahlen zu zerlegen – also Zahlen, die nur durch 1 oder sich
selbst teilbar sind – , hat vor sieben Jahren der US-Wissenschaftler
Peter Shor vorausgesagt. Der Algorithmus wurde nach ihm benannt.
Eines Tages schneller als Supercomputer
Für Zahlen wie 15 oder 232 ist die Teilung einfach, schwieriger
wird es bei größeren Werten. Die Zeit, die ein Computer für eine
derartige Kalkulation braucht, nimmt exponentiell zu – je mehr
Stellen die Zahl hat. Der gültige Rekord stammt aus dem Jahr 1999:
Die Zahl hatte 155 Stellen. 292 zusammengeschaltete Computer
brauchten ein halbes Jahr, um diese Zahl zu berechnen. Für eine
Zahl, die doppelt so lang ist, bräuchten sie einige hundert
Millionen Jahre. IBM-Manager Nabil Amer: „Eines Tages sind
Quantencomputer vielleicht in der Lage, Probleme zu lösen, die so
komplex sind, dass selbst die mächtigsten Supercomputer sie nicht in
Millionen von Jahren lösen könnten.“
Während in der klassischen Physik ein Bit immer nur eine
Information gleichzeitig übertragen kann – 0 oder 1, gilt diese
Regel in der Quantenphysik nicht mehr: Ein Quantenbit kann die
Zustände 0 und 1 gleichzeitig einnehmen – Wissenschaftler nennen das
Superposition. Durch die Kombination von Quantenbits können also
wesentlich mehr Informationen übertragen werden als durch klassische
Bits. Zudem laufen mehrere Prozesse parallel ab. Außerdem fungieren
Quantenbits gleichzeitig als Prozessor und Speicher.
Verschiedene Objekte können Quantenbits sein: polarisierte
Photonen, bestimmte Elektronen oder Atome. Für den primitiven
Quantencomputer, der im Almaden-Labor von IBM die Zahl 15 in 3 und 5
zerlegte, entwickelten die Wissenschaftler ein spezielles Molekül
mit fünf Fluor- und zwei Kohlenstoffatomen. Jedes Atom stellt ein
Quantenbit dar. Beeinflusst wurden diese Atome mit Hilfe der
Kernspinresonanz – das Verfahren wird in der Medizin etwa bei der
Computertomographie verwendet.
Moleküle in einem Reagenzglas vereint
Neben IBM forschen auch Hewlett-Packard und AT & T sowie
Universitäten an dieser Technologie. Das größte Problem: Das
Verfahren ist hochgradig anfällig für Fehler. Außerdem ist die
Steuerung der Quantenbits sehr kompliziert – sie müssen sorgfältig
von äußeren Einflüssen abgeschirmt werden, die diese ständig
verändern. Da die IBM-Forscher die Moleküle nicht einzeln
beeinflussen konnten, haben sie 1018 davon – vereint in einem in
einem Reagenzglas – bearbeitet.
Forscher Shor, der für die AT & T Laboratories arbeitet,
nannte das Experiment der IBM-Leute „beeindruckend“, wies aber
gleichzeitig darauf hin, dass der Weg noch weit ist, bis die Technik
in der Praxis nützlich eingesetzt werden kann. Erste Anwendungen für
den Quantencomputer sieht er in der Unterstützung heutiger
Prozessoren bei der Lösung hoch komplizierter Aufgaben, wie sie
zurzeit Supercomputer erledigen. Quantencomputer könnten eines Tages
auch komplizierte Suchaufgaben erheblich erleichtern.
