Ionenfallen und der Sprung in eine neue Quantenwelt

3. April 2012, 20:21
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Der Innsbrucker Experimentalphysiker Rainer Blatt hat den bisher leistungsfähigsten Quantenrechner der Welt gebaut

Rainer Blatt darf sich Weltrekordhalter nennen. Der Experimentalphysiker von der Universität Innsbruck hat vor einem Jahr den bisher leistungsfähigsten Prototyp eines Quantenrechners gebaut. Die technischen Eckdaten: 14 Quantenbits, repräsentiert durch 14 in elektrischen Wechselfeldern "gefangene" Ionen.

Momentan arbeiten Blatt und seine Kollegen an einem System mit 25 Teilchen (respektive Quantenbits). Noch beherrsche man das neue System nicht vollständig, "aber in zwei Jahren könnte es so weit sein", sagt Blatt im Gespräch mit dem Standard. Auch in Sachen Miniaturisierung schreitet die Entwicklung voran.

Während Blatts erster Quantenrechner noch auf einem klobigen Labortisch im Format vier mal zwei Meter aufgebaut war, ist die dritte Generation des Systems bereits deutlich handlicher. Die Ionenfalle - wenn man so will: der Prozessor - ist mittlerweile in einen Chip integriert. "Er ist so groß wie ein Daumennagel. Inklusive Hilfsgeräten kriegen wir alles in einer Schuhschachtel unter."

Ein Blick zurück: Als geistige Urväter des Quantencomputers gelten die beiden Theoretiker David Deutsch und Richard Feynman. Beide entwickelten in den 1980er-Jahren die Idee, dass man anstatt der mit Nullen und Einsen operierenden Computer Maschinen bauen könnte, deren kleinste Informationseinheiten zwischen null und eins "schweben". Seltsame Überlagerungszustände, die es nur in der Quantenwelt gibt.

Hurrikan im Miniformat

"Feynman fragte sich damals: Wenn die Berechnung quantenmechanischer Probleme mit digitalen Maschinen so mühsam und aufwändig ist - warum nehmen wir nicht gleich Quantensysteme für diese Berechnung?" Das ist so, als würde ein Meteorologe zur Vorhersage eines Wirbelsturmes Hurrikane im Miniaturformat bauen. "Die Idee war damals sehr exotisch", erinnert sich Blatt. "Nicht zuletzt deshalb, weil sich niemand vorstellen konnte, wie das im Experiment umzusetzen wäre." Das sollte sich im Jahr 1995 ändern. Damals schlugen Peter Zoller von der Uni Innsbruck und der Spanier Ignacio Cirac, damals ebenfalls in Innsbruck tätig, jene Quantencomputer-Architektur vor, mit der heute Forschergruppen in aller Welt arbeiten: Ionenfallen plus ein Laser, der zugleich als Stellglied, Kühlmittel und Lesekopf fungiert.

Das Konzept made in Innsbruck ist erfolgreich, gleichwohl werde es auf lange Sicht wohl nur ein Durchgangsstadium in der Evolution des Quantenrechners sein, sagt Blatt. "Ich betrachte die Ionenfallen wie die alten Röhrencomputer. Theoretisch könnten wir mit dieser Technik Ungetüme bauen, die mehrere tausend Quantenbits umfassen und einen ganzen Raum ausfüllen. So wie das beim US-amerikanischen Universalrechner Eniac in den 1940ern der Fall war."

Was man nun benötige, sei ein technologischer Durchbruch - ein Analogon zur Erfindung der Transistoren und integrierten Schaltkreise. Derzeit überprüfen Physiker aus aller Welt mehr als 15 verschiedene Alternativen. Eine Möglichkeit wäre etwa, Quantenrechner auf Basis von Supraleitern zu bauen. Die Technik benötigt allerdings extrem tiefe Temperaturen. Die entsprechenden Kühlschränke könnten der Miniaturisierung im Wege stehen.

Ein andere Möglichkeiten wären sogenannte Quantenpunkte: künstliche Atome in Halbleitern, denen die Gesetze der Quantenmechanik eingeschrieben wurden. Welches System sich letztlich durchsetzen wird, steht in den Sternen. Fest steht: Der Weltrekord wird nicht ewig halten. " Wenn jetzt jemand mit einer guten Idee kommt, dann kann er uns binnen Wochen oder Monaten schlagen." (Robert Czepel, DER STANDARD, 4.4.2012)

  • Ein Blick in die Ionenfalle von Rainer Blatt, ein Basiswerkzeug der 
Quantenphysik: Hier werden elektrisch geladene Atome festgehalten.
    foto: c. lackner

    Ein Blick in die Ionenfalle von Rainer Blatt, ein Basiswerkzeug der Quantenphysik: Hier werden elektrisch geladene Atome festgehalten.

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