Perfekter Quantencomputer: Keine Chance dem Fehlerteufel

Nicht nur uns Menschen unterlaufen regelmäßig Fehler. Sogar die leistungsfähigsten Computer - Paradebeispiele für Genauigkeit und Zuverlässigkeit - sind vor Irrtümern nicht gefeit. Gemeint sind nicht Störungen, die auf Programmierfehlern oder auf defekten Mikrochips beruhen, sondern Fehler, die bei der Übertragung und Verarbeitung von digitalen Daten entstehen und deshalb unvermeidlich sind. Deshalb sind klassische Rechner normalerweise mit Algorithmen ausgestattet, die jeden Rechenprozess kontrollieren und gegebenenfalls sofort korrigieren. An solchen Fehlerkorrekturverfahren sind auch die Erbauer von Quantencomputern in höchstem Maße interessiert. Denn diese Automaten, die zum Rechnen die Prinzipien der Quantenphysik nutzen und deshalb bestimmte mathematische Aufgaben deutlich schneller ausführen können als ihre klassisches Pendants, arbeiten mit einzelnen Photonen, Ionen oder Atomen - also fragilen Quantensystemen, die bei geringsten Störungen nicht mehr einwandfrei funktionieren. Doch die klassischen Verfahren sind für einen Quantenrechner nicht geeignet. Der Traum von der Perfektion Physiker von der Universität Innsbruck haben nun aufgezeigt, wie sich Datenfehler bei einem Quantencomputer schnell aufdecken und ausmerzen lassen. Sie bedienen sich dabei der Fähigkeit von Quanten, mit anderen Quanten eine innige Beziehung eingehen zu können und dadurch sofort zu spüren, wenn mit dem Partner irgendetwas nicht „in Ordnung“ ist. Dass Computer nicht fehlerfrei rechnen, kann viele Ursachen haben: Entladungen oder Kratzer auf Datenträgern sowie thermisches oder elektronisches Rauschen. Mit modernen mathematischen Verfahren ist es möglich, dieses Dilemma zu beheben. Die Daten werden mehrfach kopiert und auf identische Art und Weise verarbeitet. Tritt ein Fehler auf, lässt sich die richtige Lösung durch einen Vergleich mit den übrigen Resultaten leicht aufspüren: Das wahrscheinlichste - weil häufigste - Ergebnis wird als das richtige angesehen und vom Rechner verwendet. Kopieren unmöglich Allerdings funktioniert die klassische Fehlerkorrektur bei einem Quantencomputer nicht. Denn quantenmechanische Daten können grundsätzlich nicht kopiert werden, ohne die Originaldaten unwiederbringlich zu zerstören. Deshalb ist es auch nicht möglich, Zwischenergebnisse zu speichern und diese zur Fehlerkorrektur zu verwenden. Ein leistungsfähiges Korrekturverfahren ist jedoch eine wichtige Voraussetzung für jeden funktionierenden Quantencomputer. Die Überlegenheit des Quantencomputers gegenüber seinem klassischen Pendant beruht darauf, dass außer den beiden binären Zuständen „0“ und „1“ noch beliebig viele quantenmechanische Zwischenzustände verarbeitet werden. Diese Quantenbits (Qubits) können durch bestimmte Energiezustände in Atomen oder die Orientierung von Spins in geladenen Teilchen repräsentiert werden oder durch die Richtung, in der elektrische Ströme in supraleitenden Leiterbahnen umlaufen. Da ein künftiger Quantencomputer mehrere Qubits verarbeitet, kann er viele Rechenoperationen gleichzeitig ausführen. Dadurch ist er in der Lage, große Datenbanken in kürzerer Zeit zu durchforsten oder verschlüsselte Daten deutlich rascher zu codieren und zu decodieren als der schnellste Siliziumrechner. Fragile Quantenzustände Allerdings darf die Überlagerung der Zustände während des Rechenprozesses nicht zerstört werden. Gefahr droht Qubits durch elektromagnetische Streufelder, Temperaturschwankungen oder kleinste Erschütterungen. Die Folge sind Störungen der quantenmechanischen Zustände, in denen gespeicherte Information abgelegt sind, wodurch sich Rechenfehler einschleichen können. Seit einigen Jahren weiß man, dass sich diese zwar im Nachhinein korrigieren lassen. Die Verwirklichung hat sich aber als äußerst schwierig erwiesen. Mittlerweile sind für verschiedene Typen von Quantencomputern Fehlerkorrekturverfahren ersonnen worden, von denen einige äußerst effizient arbeiten. Eine vielversprechende Möglichkeit, Fehler aufzuspüren und zu eliminieren, haben beispielsweise Physiker von der Universität Innsbruck verwirklicht. Ihr Quantenrechner besteht aus der vergleichsweise großen Zahl von sieben einzelnen Berylliumionen, die sie in einer Teilchenfalle isolieren und darin mit elektromagnetischen Feldern in der Schwebe halten. Mit gepulsten Laserstrahlen lassen sich die Quantenzustände jedes einzelnen Teilchens gezielt anregen und manipulieren, so dass man mit den Kalziumionen logische Operationen wie bei einem klassischen Prozessor ausführen kann. Dabei gilt: Ionen im niedrigsten Energiezustand repräsentieren den Zustand „0“, angeregte Ionen den Zustand „1“. Fehlerkorrektur dank Fernwirkung Für ihre Versuche beförderten die Forscher um Rainer Blatt zunächst eines der Kalziumionen in einen quantenmechanischen Schwebezustand, in dem sich beide Energiezustände überlagerten. Das Ion diente als Quantenbit, dessen Information es fortan von äußeren Einflüssen zu schützen galt. Die übrigen sechs Ionen hatten die Funktion von Hilfsquantenbits und dienten primär dazu, Fehler aufzuspüren. Im ersten Schritt des Korrekturverfahrens wurden die sieben Ionen mit abgestimmten Laserpulsen miteinander verschränkt, woraufhin sich die im ersten Ion steckende Information auf alle Teilchen gleichermaßen verteilte. Entsprechend sollte sich so jede äußere Störung sofort auf das ganze Quantensystem übertragen und an jedem beliebigen Hilfs-Quantenbit festgestellt werden können, ohne die gespeicherte Quanteninformation anzutasten. Um die Leistungsfähigkeit des Verfahren zu testen, setzten die Forscher um Blatt die Kalziumionen der Reihe nach Laserpulsen aus, die die jeweiligen Energie- und Phasenzustände der Teilchen merklich veränderten, was normalerweise die Funktion des Quantensystems gravierend beeinträchtigt hätte. Dank der Verschränkung ließ sich jedoch sofort feststellen, an welchem Kalziumion welche Manipulation vorgenommen wurde. War das fehlerhafte Ion identifiziert, wurde es mit einem Laserstrahl wieder in den „korrekten“ Zustand zurückbefördert, ohne am Daten-Quantenbit eine Messung vornehmen zu müssen. Ein langer Weg zur Perfektion Die Prozedur hatte den Vorteil, dass sie jeden erdenklichen Fehler entlarvte, viele Mal wiederholt werden konnte und für eine extrem hohe Stabilität des Quantensystems sorgte. Wie die Physiker um Blatt in der Online-Ausgabe der Zeitschrift „Science“ berichten, waren sie nicht nur in der Lage, einzelne Fehler zuverlässig aufzuspüren, sie konnten auch gleichzeitig längere Rechenoperationen mit den Quantenbits ausführen. Das Verfahren, das vorerst nur für ein einzelnes Qubit als Informationsträger funktioniert, erscheint auf den ersten Blick recht aufwendig. Für Blatt und seine Kollegen ist es aber auf größere Quantensysteme mit vielen Quanten-Datenbits skalierbar. Dadurch würde nach Ansicht der Forscher ein Quantenrechner sogar noch robuster. Das Ziel ist ein Quantencomputer, der beliebig lange rechnen kann, ohne dass ein Fehler auftritt.