Wiener Physiker treiben dem Quantencomputer den Zufall aus

12. Jänner 2007, 10:18
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Messungen werden ultraschnell den Ergebnissen angepasst - Team rund um Anton Zeilinger (Bild) umgeht Probleme

Wiener Physiker um Anton Zeilinger (Institut für Experimentalphysik, Uni Wien) haben dem Quantencomputer eine lästige Eigenheit ausgetrieben, nämlich den Zufall. Bei bisherigen Versuchen, mit Quanten in Form von Lichtteilchen (Photonen) zu rechnen, war die Trefferquote auf Grund des Zufallsprinzips nämlich denkbar gering, erklärte dazu Zeilinger gegenüber der APA. Die Umgehung des Problems wurde in der jüngsten Ausgabe der Wissenschaftszeitschrift "Nature" veröffentlicht.

Photonen

Zeilinger setzt bei seinen Experimenten auf Photonen, also Lichtteilchen. Diese werden meist zu Pärchen oder größeren Gruppen verschränkt. Derart verknüpfte Teilchen weisen die Besonderheit auf, dass sie wie mit einem unsichtbaren Faden verbunden bleiben. Dabei können sich die Teilchen theoretisch beliebig weit von einander entfernen. Manipuliert man eines der beiden Quanten, so hat das augenblicklich auch Auswirkungen auf das Geschwisterteilchen. Das Phänomen der Verschränkung wird unter anderem zur Verschlüsselung von Daten oder zur Entwicklung eines Quantencomputers angewendet.

Gezielt

In ersten Ansätzen gelingt es den Forschern seit wenigen Jahren, die Verschränkungen auszunutzen, um an einer Gruppe von Quanten Rechnungen durchzuführen. Diese Rechenoperationen sind nichts anderes als gezielte Messungen - etwa der Schwingungsebene (Polarisierung) - an einzelnen Teilchen. Die gemessenen Teilchen gehen zwar jeweils verloren, es werden aber auch die verschränkten Geschwisterphotonen beeinflusst.

Überlagerung aller möglichen Zustände

Letztendlich lässt sich durch gezielte Messungen jedes mögliche Endergebnis in Form der verbleibenden Photonen erhalten. Der Hauptvorteil der ganzen Quantenrechnerei ist, so versichern die Wissenschafter, dass der Zustand jedes einzelnen Teilchens vor einer Messung nicht festgegelegt ist. Es handelt sich vielmehr um eine Überlagerung aller möglichen Zustände. Erst durch die Messung wird beispielsweise die Schwingungsebene festgelegt.

Nachteile

Ein Nachteil der Sache war bisher, dass eine Messung in der Quantenphysik dem Zufall unterworfen ist. Das bedeutet, dass ein gewünschtes Resultat nur bei ganz bestimmten Messergebnissen zu Stande kommt. Konkret musste ein Quantencomputer-User bisher so lange warten und messen, bis das richtige Ergebnis zufällig auftauchte. Schon bei einem vergleichsweise kleinen Computer, in dem zehn Messungen vorgenommen werden, bedeutet dies, dass nur in einem von tausend Fällen das richtige Ergebnis vorliegt.

Ausgeschaltet

Die Physiker haben dieses Problem jetzt ausgeschaltet, indem die Art der Messungen laufend angepasst wird, im Fachjargon spricht man von einer "Error Correction" in Echtzeit oder auch "Vorwärtskopplung". Voraussetzung dafür ist allerdings entsprechend schnelle elektronische und optische Komponenten. Die Wissenschafter erreichten die Anpassung der Messung in weniger als 150 Nanosekunden (eine Nanosekunde ist der milliardste Teil einer Sekunde). In dieser Zeit legen die Photonen immerhin eine Strecke von 20 Metern zurück, in der Praxis sausen die Teilchen durch ein aus Platzgründen aufgerolltes Glasfaserkabel im Labor. Durch die Vorwärtskopplung konnte die bisherige Fehlerquote jedenfalls auf Null reduziert werden.

Kooperation

Die Forschungsergebnisse sind das Resultat einer Zusammenarbeit der Uni Wien mit dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW). Vorgeschlagen wurden die jetzt erfolgreich durchgeführten Experimente von den Theoretikern um Hans Jürgen Briegel vom IQOQI in Innsbruck. Unterstützt wurden die Arbeiten vom Wissenschaftsfonds FWF. (APA)

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