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Quantencomputer: Bosonen statt Qubits

Noch gibt es keinen praktischen Beweis dafür, dass Quantencomputer wirklich schneller sein werden als herkömmliche Rechner. Ein Experiment mit Photonen soll ihn erbringen.

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Ein optischer Rechner soll beweisen, dass klassische Computer übertroffen werden können.
Ein optischer Rechner soll beweisen, dass klassische Computer übertroffen werden können. (Bild: Nature)

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Quantencomputer sollen Probleme effizient lösen können, die für klassische Computer praktisch unlösbar werden. Aber bisher wurde noch kein universeller Quantencomputer gebaut, und die durchgeführten Experimente erreichen noch nicht die nötige Komplexität, um einen praktischen Beweis dafür zu erbringen, dass die Hoffnungen erfüllt werden können. Forscher aus China und Deutschland haben jetzt den ersten Prototyp einer Maschine vorgestellt, die das tun soll.

Inhalt:
  1. Quantencomputer: Bosonen statt Qubits
  2. Photonenquelle im Eigenbau

Ihr Experiment geht auf einen Vorschlag von 2013 zurück, wie für den Nachweis eine Abkürzung genommen werden könnte. Statt eines universellen Computers, der für beliebige Probleme programmiert werden kann, sollte ein Gerät gebaut werden, das nur eine Aufgabe lösen kann. Die Berechnung der sogenannten Permanenten einer Matrix aus komplexen Elementen ist ein Problem, dessen Rechenaufwand für herkömmliche Computer mit zunehmender Größe der Matrix exponentiell wächst.

Der Computer braucht nur einfache optische Bauteile

Die Permanente einer Matrix ist eng verwandt mit der Determinante, nur ohne die wechselnden Vorzeichen. Sie stammt aus dem 19. Jahrhundert und wurde in der Kombinatorik beispielsweise für so drängende Probleme benötigt wie die Frage, wie viele Möglichkeiten es gibt, n Ehepaare so einem Tisch anzuordnen, dass zwar immer Mann und Frau, aber nie Ehemann und Ehefrau nebeneinandersitzen. Darüber hinaus gibt es aber ganz ähnliche Probleme, zum Beispiel zur Anordnung zweiatomiger Moleküle auf Oberflächen, die in der Beschreibung chemischer Reaktionen entscheidend sind.

Mit einem universellen Quantencomputer könnten solche Probleme viel schneller, mit polynomialem Aufwand, gelöst werden. Aber tatsächlich reicht zur Lösung dieses speziellen Problems auch ein Aufbau aus linearen optischen Elementen aus. Die Technik wird Boson Sampling genannt. Wenn ein universeller Quantencomputer zur Lösung dieses Problems benutzt wird, tut er letztlich nicht anderes als das gleiche Experiment durchzuführen, indem er es mit eigenen Mittel simuliert.

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Die bekanntesten Vertreter der Bosonen sind die Photonen, also Lichtteilchen. Das Experiment hätte natürlich auch mit jedem anderen Teilchen oder Quasiteilchen mit den Eigenschaften der Bosonen durchgeführt werden können, die nach dem indischen Physiker Satyendranath Bose benannt wurden. Neben dem berühmten Higgs-Boson fallen darunter auch weniger exotische Phänomene, die ganz ohne Teilchenbeschleuniger erzeugt werden können, wie quantisierte Kristallgitterschwingungen, die sogenannten Phononen, oder Plasmone, elektromagnetische Anregungen an der Oberfläche von Stromleitern.

Aber auch wenn der Rechner nur Lichtteilchen verwenden soll, werden hohe Ansprüche an die Lichtquelle gestellt.

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Photonenquelle im Eigenbau 
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luzipha 09. Mai 2017

Das heißt dann, dass du dich ausschließlich dafür interessierst was gerade am Markt...

Frank... 05. Mai 2017

Nein. Die Antwort lautet klar Ja. ;) Ja, es hat funktioniert. (Auch mit 3 und 4 Photonen...


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