IBM baut Quantencomputer

Erste Demonstration von Shor's historischem Faktorisierungs-Algorithmus. Forscher an IBMs Almaden Research Center haben die bisher komplizierteste Berechnung mit einem Quantencomputer durchgeführt. Mit sieben Qbits lösten sie eine vereinfachte Version des mathematischen Problems, das das Herz heutiger Verschlüsselungssysteme bildet.

20. Dezember 2001 um 10:34 Uhr / Jens Ihlenfeld

"Dieses Ergebnis beweist einmal mehr, dass Quantencomputer eines Tages möglicherweise in der Lage sein werden, Probleme zu lösen die so komplex sind, dass auch die mächtigsten Supercomputer in Milliarden von Jahren diese nicht zu lösen im Stande wären", so Nabil Amer, Manager und Strategist der IBM-Forschungsgruppe "Physics of Information". In der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsjournals Nature berichten IBM-Forscher und Absolventen der Stanford University von der ersten Demonstration des "Shor Algorithmus" – eine Methode, die 1994 vom AT&T-Wissenschaftler Peter Shor erfunden wurde, um mit futuristischen Quantencomputern Faktoren von Zahlen zu finden, die zusammen wieder die eigentliche Nummer ergeben. Heutzutage ist das Faktorisieren großer Zahlen für konventionelle Computer derart aufwendig und das Überprüfen derart einfach, dass diese Methode bei vielen Verschlüsselungsverfahren zum Einsatz kommt.

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Ein Quantencomputer profitiert dabei von den verschiedenen möglichen Quantenzuständen eines Atoms oder Kerns, die es ihnen erlauben, als Quanten-Bits bzw. "Qubits" zu arbeiten. Diese dienen gleichzeitig als eine Art Prozessor und Speicher. Durch die Beeinflussung der Interaktion zwischen den Qbits, während sie dennoch von der Außenwelt isoliert sind, ist es möglich, Quantencomputer dazu zu bringen, bestimmte Berechnungen, wie z.B. die Faktorisierung, deutlich schneller durchführen zu lassen als konventionelle Computer.

Verwendet man für die Faktorisierung von Zahlen konventionelle Rechner, verdoppelt sich der Rechenaufwand in etwa mit jeder zusätzlichen Ziffer. Bei der Verwendung von Quantencomputern zeigt die benötigte Zeit hingegen nur linear an.

Die kleinste aussagefähige Instanz des Shor Algorithmus ist das Finden der Faktoren der Zahl 15, wofür ein Sieben-Qubit-Quantencomputer nötig ist. Chemiker von IBM designten nun ein neues Molekül mit sieben Nuclear Spins – ein Kern aus fünf Fluor- und zwei Kohlenstoffatomen, die miteinander als Qubits interagieren können und sich über gepulste Radiofrequenzen programmieren lassen.

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Die Forscher kontrollierten so eine Milliarde mal eine Milliarde dieser Moleküle, führten Shors Algorithmus aus und konnten die Zahlen 3 und 5 als Faktoren von 15 identifizieren. "Sollten wir in der Lage sein, diese Berechnung in deutlich größerem Maßstab durchzuführen – sagen wir mit tausenden von Qbits, die benötigt werden, um wirklich große Zahlen zu faktorisieren -wären fundamentale Veränderungen bei der Implementierung von Verschlüsselung vonnöten", so Isaac Chuang, Kopf des Forscherteams und jetzt Associate Professor am MIT.

Während das Potenzial von Quantencomputern riesig und die aktuellen Fortschritte ermutigend seien, so sind kommerzielle Quantencomputer noch immer etliche Jahre entfernt. Die jetzigen auf nuklear-magnetischer Resonanz basierenden Quantencomputer sind reine Laborexperimente. Den IBM-Forschern zufolge wird es sich bei den ersten Quantencomputern wohl eher um Co-Prozessoren für spezielle Funktionen handeln, z.B zur Lösung komplexer mathematischer Probleme, Modellierung von Quantumsystemen und zur Durchführung unstrukturierten Suchens. Textverarbeitung oder die Erledigung einfacher Aufgaben sind hingegen Dinge, die sich mit heutigen Computern deutlich einfacher handhaben lassen.