Stromkreise und Quantenpunkte

Für eine praktische Umsetzung könnte es sich allerdings als ungünstig erweisen, dass man eine größere Apparatur braucht, um Ionen im Vakuum schweben zu lassen. Die Ionenfallen sind gewissermaßen die Elektronenröhren der Quantencomputer: Alle Hoffnung ruht darauf, diese irgendwann durch eine Art von Transistoren, also festkörperbasierte Systeme, zu ersetzen. Unter anderen befassen sich Forscher des Chipherstellers IBM intensiv mit dieser Technik.

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Im Inneren dieser Vakuumapparatur fangen die<br>Innsbrucker Quantenphysiker Ionen ein (Bild: Matthias Matting)

Ein Festkörper-Quantencomputer lässt sich zum Beispiel mit Hilfe der Supraleitung umsetzen. Bei sehr tiefen Temperaturen verlieren Stoffe ihren elektrischen Widerstand: Strom kann also verlustlos fließen. Als Qubit dient den Forschern nun ein supraleitender Stromkreis, den Strom in der einen Richtung (Bit = 1) oder in der entgegengesetzten Richtung (Bit = 0) durchfließen kann. Im Quantenregime überlagern sich die Stromflüsse in beide Richtungen, der Strom fließt also links- und rechtsherum gleichzeitig.

Ein Festkörper-Quantencomputer dieser Art besteht also nicht aus einzelnen Teilchen, sondern gleich aus Milliarden von Elektronen. Damit stellt er ein sehr komplexes System dar, das leider zu schneller Dekohärenz neigt. Immerhin haben die Festkörper-Quantencomputer einen wichtigen Vorteil: Die einzelnen Qubits sind mitsamt der sie umgebenden "Apparatur" sehr klein und lassen sich auf einem Chip integrieren.

Adiabatische Quantencomputer

Für viele Forscher stellt dieses Konzept gar keinen echten Quantencomputer dar, denn die Verschränkung mehrerer Qubits spielt hier gar keine Rolle. Es beruht darauf, dass ein System im Grundzustand (also mit der absoluten Mindestenergie) seine Quanten-Eigenschaften nicht verändert, solange die Wechselwirkung mit der Umwelt klein genug ist, dass sie unter der Schwelle für den nächsthöheren Zustand bleibt - das nennt man eine adiabatische Zustandsänderung.

Die Idee ist, einen bestimmten Zustand zu präparieren und diesen dann mit kleinsten Anstößen so weit zu verändern, dass ein anderer, gesuchter Grundzustand erreicht wird, der der Lösung des Problems entspricht und gemessen werden kann. Adiabatische Quantencomputer sind dadurch weit weniger flexibel als "echte". Ob sie klassischen Computern prinzipiell überlegen sind (und bei welcher Art von Problemen), ist derzeit noch Diskussionsgegenstand unter den Forschern.

Öffentliche Aufmerksamkeit bekamen sie durch die US-Firma D-Wave Systems. Deren "D-Wave 2" rechnet angeblich bereits mit 512 Qubits, während die internationale Forschergemeinde nur schwer über 10 Qubits hinaus kommt. Die Technik der Firma basiert auf supraleitenden Schaltkreisen, die zu einem "Chip" vereinigt werden. Allerdings sind wohl nicht alle Qubits auch miteinander verschränkt. Im Juni konnte ein internationales Forscherteam im Fachmagazin Science denn auch zeigen, dass D-Wave 2 bei für Quantencomputer optimierten Aufgaben nicht schneller rechnet als ein klassischer Computer.