Ein verläßliches Gedächtnis für den Quantencomputer
Flinker Arbeitsspeicher aus fünf Qubits: Datenverarbeitung mit gefangenen Cäsiumatomen und abgestimmten Mikrowellenpulsen
Ohne "Gedächtnis" funktioniert kein Computer. Irgendwo müssen die vielen Zwischenergebnisse, die bei den Berechnungen anfallen, abgespeichert werden, damit sie weiterverarbeitet werden können. Außerdem muß sich der Computer jederzeit auch an die Programmanweisungen erinnern können, die er Schritt für Schritt abarbeiten soll. Während herkömmliche Elektronenrechner über äußerst leistungsfähige Arbeitsspeicher verfügen, die Hunderte von Megabits - das heißt Millionen von Nullen und Einsen - vorhalten können, ist man von einem "Gedächtnis" für einen Quantencomputer noch weit entfernt. Physiker von der Universität Bonn haben sich dieses Mangels angenommen. Ihnen ist es gelungen, ein Quantenregister zu bauen, das sich zu einem leistungsfähigen Arbeitsspeicher für den Quantencomputer erweitern läßt.
Herkömmliche Computer speichern und verarbeiten ihre Daten in Form von Bits mit den Werten 0 oder 1. Der Quantencomputer hingegen arbeitet mit sogenannten Quantenbits (Qubits), die wie Schrödingers Katze gleichzeitig zwei verschiedene Quantenzustände annehmen können. Weil ein Qubit den Wert 0 und 1 zugleich haben kann, potenziert sich die Rechenleistung ganz erheblich. Ein Quantencomputer, der einige hundert Qubits verarbeiten kann, ist bei der Zerlegung großer Zahlen in ihre Primfaktoren oder bei der Durchsuchung riesiger Datenbanken deshalb jedem herkömmlichen Elektronenrechner haushoch überlegen.
Bis ein Quantenrechner es mit einem herkömmlichen Elektronenhirn aufnehmen kann, ist es allerdings noch ein weiter Weg. Zunächst einmal muß ein Arbeitsspeicher ersonnen werden, der eine große Zahl von Qubits speichern kann, bis alle Berechnungen abgeschlossen sind. Das setzt voraus, daß man die Qubits möglichst von allen störenden Einflüssen abschirmt.
Besonders gut eignen sich als Quantenbits die elektronischen Zustände einzelner, in Fallen festgehaltener Ionen oder Atome. Einzelne Ionen, mit denen man etwa an der Universität Innsbruck und am National Institute of Standards and Technology in Boulder (Colorado) arbeitet, lassen sich zwar leichter festhalten als neutrale Atome. Aber bei einer großen Zahl von Ionen auf engem Raum macht sich die elektrostatische Abstoßung störend bemerkbar. Deshalb sind einige Wissenschaftler wie die Physiker um Dominik Schrader und Dieter Meschede aus Bonn dazu übergegangen, neutrale Atome als Speichermedium für Qubits zu benutzen.
Die jüngste Errungenschaft der Bonner Forscher ist ein Quantenregister, das fünf Qubits aufnehmen kann. Wenn man zusätzliche Atome hinzufügt, läßt sich die Speicherkapazität auf Hunderte von Qubits erweitern ("Physical Review Letters", Bd. 93, Nr. 150501). Jedes Qubit kann gezielt in den jeweils gewünschten quantenmechanischen Anfangszustand gebracht und in ihm fast eine Millisekunde lang gehalten werden. In dieser Zeit können Hunderte von Rechenschritten mit den gespeicherten Qubits ausgeführt werden. Für diese erstaunliche Leistung haben die Bonner Physiker alle Register ihrer Experimentierkünste gezogen.
Die Wissenschaftler um Schrader verwendeten für ihre Zwecke einzelne Cäsiumatome, die man zunächst abbremste und in einer magnetooptischen Falle - einer Kombination aus sechs Laserstrahlen und einem magnetischen Feld - festhielt. Anhand des Fluoreszenzlichts, das die beleuchteten Teilchen aussandten, konnten die Forscher sehen, wie viele Atome in der Falle saßen. Als sie die gewünschte Zahl beieinander hatten, schalteten sie die magnetooptische Falle ab und übergaben die Atome an eine optische Dipolfalle, die von zwei gegenläufigen Laserstrahlen gleicher Wellenlänge gebildet wurde. Die Laserstrahlen brachte man so zur Überlagerung, daß sich ein stehendes Lichtfeld ausbildete, dessen Intensitätsmuster an die gewellte Oberfläche eines Waschbretts erinnerte. Die Cäsiumatome mieden die Hügel und suchten gewissermaßen die Täler des Lichtfeldes auf, in denen sie gefangen waren. Zusätzlich eingestrahltes Laserlicht verringerte die Wärmebewegung der Atome und sorgte dafür, daß diese weiter abkühlten. Anhand des Fluoreszenzleuchtens der Teilchen konnten die Forscher die Position der einzelnen Atome mit einer CCD-Kamera bestimmen.
In einem Experiment fanden die Forscher in der Dipolfalle fünf Atome, die in einer Reihe saßen wie die Perlen auf einer Schnur und gleichsam den Arbeitsspeicher bildeten. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Teilchen betrug dabei zehn Mikrometer. Die Rolle der Qubits übernahmen zwei sogenannte Hyperfeingrundzustände des Cäsiums, deren Energien sich nur wenig unterschieden. Diese beiden Quantenzustände sind als Quantenbits geradezu ideal geeignet, da man die Cäsiumatome mit einem Mikrowellenpuls von abgestimmter Dauer und Schwingungsfrequenz von dem einen Zustand in den anderen befördern oder eine Überlagerung von beiden Zuständen herbeiführen kann. Allerdings waren die fünf Atome zu dicht beieinander, als daß die Forscher sie selektiv in unterschiedliche Zustände hätten bringen können, wie das für ein Quantenregister nötig gewesen wäre.
Einen Ausweg eröffnete ein ortsabhängiges Magnetfeld, das man um das Register herum erzeugte und so auf jedes Cäsiumatom sowie dessen Energiezustand einen anderen Einfluß ausübte. Je nach lokaler Stärke des Feldes reagierten die Qubits auf Mikrowellenstrahlung einer ganz bestimmten Frequenz. Durch Variation der Frequenz konnten die Forscher jedes einzelne Atom anregen, ohne daß das Nachbaratom etwas davon merkte.
Mit dem Kniff gelang es Schrader und seinen Kollegen, jedes der fünf Qubits selektiv zu adressieren - sie beispielsweise aus dem Anfangszustand "00000" in den Zustand "01010" zu befördern. Zur Kontrolle, ob in dem Register tatsächlich die gewünschte Information gespeichert war, bestrahlten die Forscher die fünf Teilchen mit Laserlicht, das nur mit Qubits im Zustand 0 wechselwirkte. Während die Atome im Zustand 0 aus der Falle gekickt wurden, blieben diejenigen im Zustand 1 davon verschont und saßen weiterhin in der Falle.
Es zeigte sich, daß benachbarte Atome sich auch dann noch gezielt ansprechen ließen, wenn sie nur etwa zwei Mikrometer voneinander entfernt waren. Somit könnte man nach Ansicht der Forscher auf einem Millimeter mehrere hundert Qubits speichern und verarbeiten. Zudem gelang es, die Qubits zu überlagern. Hundert Mikrosekunden ließen sich die Atome in solch einem Schwebezustand halten. Das ist lang genug, so die Wissenschaftler, um etwa tausend logische Operationen ausführen zu können. Von anderen Experimenten weiß man, daß eine einfache Operation - ausgelöst etwa durch den Austausch eines Photons zwischen zwei Atomen - etwa zweihundert Nanosekunden benötigt.
Will man eine komplizierte Rechenoperation mit den Qubits ausführen, müssen zwei oder drei Atome des Quantenregisters miteinander in Wechselwirkung gebracht werden, ohne daß sie die Zustände der übrigen Atome beeinflussen. Zu diesem Zweck holt man die entsprechenden Atome am besten aus der optischen Falle heraus und transportiert sie zu einem Prozessor, einem Quantengatter. Auch für diese Aufgabe haben die Bonner Forscher eine Lösung entwickelt: das optische Förderband. Dafür lassen sich die beiden Laserstrahlen der Dipolfalle nutzen. Wenn man nämlich die Wellenlänge eines der beiden Strahlen verändert, setzt sich die stehende Welle in Bewegung und damit auch die in den Tälern sitzenden Atome. Daß das Verfahren funktioniert, haben die Forscher bereits früher demonstriert. Zehn Millimeter weit ließen sich die Cäsiumatome transportieren, ohne daß die in ihnen gespeicherten Qubits zerstört wurden. In zwei Jahren hoffen die Forscher um Schrader und Meschede mit einem Quantengatter für Atome aufwarten zu können. Dann hätten sie alle Komponenten für einen funktionierenden Quantencomputer zusammen.
Text: Frankfurter Allgemeine Zeitung, 20.10.2004, Nr. 245 / Seite N2