Innsbrucker Physiker erzeugten erstes Quanten-Byte

8. Dezember 2005, 14:07
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Acht Kalzium-Ionen wurden verschränkt - "Wichtiger Schritt in Richtung Quantencomputer"

Physiker des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) in Innsbruck haben erstmals ein so genanntes Quanten-Byte erzeugt: Es besteht aus acht einzelnen, mit einander verschränkten Kalzium-Ionen, die dann für Rechnungen zur Verfügung stehen. Für IQOQI-Direktor Rainer Blatter, der die Experimente leitete, ist dies ein "wichtiger Schritt auf dem Weg zum Quantencomputer". Die Arbeit wurde in der jüngsten Ausgabe der britischen Wissenschaftszeitschrift "Nature" veröffentlicht.

Minituarisierung

Ein Byte besteht definitionsgemäß aus acht Bits, also acht Ja/Nein-Entscheidungen. In der herkömmlichen Informationstechnologie ist mit einem Byte die Darstellung von 256 Zeichen - wie Buchstaben, Zahlen etc. - möglich, weshalb diese Einheit ursprünglich auch gewählt wurde.

In herkömmlichen Computern werden Bits und Bytes beispielsweise auf Magnetschichten gespeichert. Seit Jahren und Jahrzehnten werden die für ein Bit benötigten Flächen immer kleiner. Schon bald wird man mit dieser Minituarisierung auf physikalisch bedingte Grenzen stoßen. Technologen arbeiten daher weltweit an alternativen Konzepten.

Quantencomputer

Beim Quantencomputer, der in bescheidenen Ansätzen in Labors bereits funktioniert, dienen einzelne Teilchen - Lichtteilchen (Photonen) oder geladene Atome (Ionen) als kleinste Einheit. Die grundlegenden Eigenschaften der Quanten sind es auch, welche diesen Computer zu einem völlig neuen Konzept machen. Da ist einmal die so genannte Überlagerung: Im Gegensatz zu herkömmlichen Speichern können Quanten nicht zur zwei Zustände (etwa 0 und 1) sondern mehr oder weniger beliebig viele annehmen. Die kleinste Informationseinheit ist daher nicht ein Bit, sondern ein Qubit (für Quanten-Bit).

Eine weitere Spezialität der Quantenwelt, welche Wissenschafter für Rechenoperationen nutzen, ist die Verschränkung. In diesem Zustand sind Teilchen wie durch Zauberhand mit einander verbunden. Manipuliert man eines, wirkt sich das augenblicklich auf die anderen aus. Für die aktuelle Veröffentlichung arbeiteten Blatt und seine Mitarbeiter mit acht Kalzium-Ionen, die in einer Reihe hintereinander in einer elektromagnetischen Falle platziert wurden. Durch gezielte Manipulationen mit Lasern schafften es die Physiker, die acht Ionen zu verschränken.

6.500 verschiedene Messungen

An gezielte Rechnungen war vorerst nicht zu denken. Die Wissenschafter waren damit beschäftigt, zu überprüfen, ob die Verschränkung für alle acht Teilchen tatsächlich vollständig war. Dafür mussten 6.500 verschiedene Messungen durchgeführt werden, und zwar jede einzelne davon 100 Mal, um die acht Qubits und ihre möglichen Zustände durch Zahlen beschreiben zu können. Allein dieser Messprozess habe über zehn Stunden in Anspruch, berichteten die Innsbrucker Physiker. Die Berechnung der Zahlen und deren Umsetzung in eine grafische Darstellung habe auf einem Hochleistungscomputer der Uni Innsbruck gleich mehrere Wochen gedauert.

Schon das deute die hohe Überlegenheit der Quanteninformationsverarbeitung gegenüber herkömmlichen Computern an. "Was mit den acht Qubits in etwa einer Millisekunde passiert, kann mit einem normalen Rechner nur in vielen Stunden berechnet und charakterisiert werden", erklärte Blatt. Ionenfallen sind nach Ansicht des Forschers derzeit auch der vielversprechendste Ansatz zur Verwirklichung des Quantencomputers.(APA)

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