Quantencomputer

Einführung: Die Quantenphysik erscheint oft als theoretisches, sehr kompliziertes Grundlagenmodell, das nicht in die Alltagswelt übertragbar ist, und daher der Menschheit keinen nützlichen Vorteil bringt.
Diese Erscheinung hat jedoch ein Ende, sobald sich konkrete Anwendungsmöglichkeiten abzeichnen.
Eine dieser faszinierenden Anwendungs-möglichkeiten ist der Quantencomputer.
Geht die Miniaturisierung bei Computerchips weiter wie bisher, so tritt in 10 bis 15 Jahren das Problem auf, daß die Elektronen aufgrund der geringen Leiterbahnabstände einfach auf eine andere Leiterbahn überspringen (durchtunneln).
Es muß also eine völlig neue Technologie her.
Die theoretischen Grundlagen für einen Quantencomputer wurden schon 1985 niedergeschrieben, das Interesse stieg jedoch sprunghaft an, als Peter Shor einen Algorithmus vorstellte, der die Quanteneigenschaften nutzte um mit Leichtigkeit jede Verschlüsselung in überschaubarer Zeit zu knacken. Er hat also einen Algorithmus für eine Maschine geschrieben, die es noch gar nicht gibt!
Funktionsweise:
Die Basis für die Rechenabläufe von Quantencomputern ist das schon angedeutete Phänomen von Quantenobjekten, daß sie sich in keinen eindeutigen Zustand befinden, sondern daß sich mehrere mögliche Zustände überlagern und koexistieren. Ein solcher Zustand läßt sich im Labor bereits künstlich herstellen.
Unsere heutigen Computer verarbeiten Informationen bitweise. Die Transistoren auf den Chips kennen nur zwei Zustände: 1(es liegt eine Spannung an), und 0(es liegt keine Spannung an). Ein Register aus vier Transistoren kann daher 16 verschiedene Zustände darstellen, jedoch zu einem Zeitpunkt nur einen.
Stellen wir uns das 4-bit-Register bestehend aus Quantenteilchen vor, z.B aus Atomen. Die Elektronen können den Kern auf verschiedenen Energieniveaus "umkreisen". Diese Level kann man als eindeutige Zustände ansehen. Aufgrund der Quanteneigenschaften kann das Atom nun auch in einem überlagerten Zustand existieren. Ein Elektron befände sich dann gleichzeitig auf zwei verschieden Energieniveaus. Zu einem Zeitpunkt stellt ein solches "Quantenbit" also die Zustände 0 und 1 gleichzeitig dar. Ein 4-bit-Quantenregister kann also auch nur 16 Zustände annehmen, jedoch alle auf einmal. Wendet man nun eine mathematische Operation an, wird diese Berechnung nicht nur auf eine einzige Zahl angewandt, sondern auf alle Werte, die in dem überlagerten Zustand gespeichert sind. Dadurch hätte man einen massiv parallel arbeitenden Computer.
Realisation:
Während theoretisch schon viel Vorarbeit geleistet worden ist, hat der Bau eines Quantencomputers noch mit vielen Schwierigkeiten zu kämpfen. Die technischen Probleme sind jedoch so groß, daß manche Forscher davon ausgehen, ihn erst in 50 Jahren verwirklichen zu können. Optimisten gehen von 20 Jahren aus.
Dabei konnten im Labor schon einfache Gatter aus 2 bis 4 Quantenbits (qubits) verwirklicht werden. Diese sind jedoch noch extrem störanfällig.
Derzeit konkurrieren zwei Ansätze zum Bau eines Quantencomputers:
. man kann mit einer Ionenfalle gefangene Atome mit einem Laser in verschiedene Zustände schalten.
. man kann die Eigenrotation (Spin) eines Atoms umschalten. Die unterschiedlichen Drehrichtungen würden ein qubit darstellen.


Probleme:
Allerdings liegt das Ergebnis ebenfalls im überlagerten Zustand vor. Nun hat dieser überlagerte Zustand (man spricht auch von einer Superposition) eine für Quantencomputer sehr hinderliche Eigenschaft:
Würde man eine Superposition einfach messen, so erhält man lediglich ein zufälliges Ergebnis aller in der Überlagerung gespeicherten Resultate. Eine Messung eines Quantenzustands hinterläßt also einen eindeutigen, aber beliebigen Zustand des Systems. Es gibt bereits einen Ansatz für die Lösung dieses grundsätzlichen Problems, er ist jedoch sehr abenteuerlich, da er teilweise dem gesunden Menschenverstand widerspricht. Das kommt in der Quantenphysik jedoch öfters vor. Ihn zu beschreiben würde jedenfalls den Rahmen dieser Projektarbeit bei weitem sprengen.

Fest steht jedoch, daß ein funktionierender Quantencomputer, der mit nur wenigen Dutzend qubits rechnet, bei bestimmten Aufgaben jeden herkömmlichen Supercomputer bei weitem überflügeln würde
Die Entwicklung der Quantencomputer ist also bisher kaum über die Theorie hinaus. Es gibt jedoch absolut keinen (quanten)physikalischen Grund, aus dem der Quantencomputer nicht funktionieren sollte.

Resümee

Die Quantenphysik beinhaltet ein unvorstellbares Entwicklungspotential.
Die größte Hürde zum Verständnis der Quantenphysik ist die Unmöglichkeit, sich bestimmte Quantenzustände und Sachverhalte vorzustellen, geschweige denn, sie anschaulich darzustellen.
Einige Interpretationen der Quantenphysik gehen stark in Richtung Philosophie. Die alte buddhistische Frage "Ist ein Geräusch vorhanden, auch wenn es niemand hört?" gewinnt hinsichtlich der Kopenhagener Interpretation stark an Bedeutung. Und so gibt es bereits Wissenschaftler, die bezweifeln, daß der Mond auch dann noch vorhanden ist, wenn gerade niemand hinsieht. Viele sehen daher in der Quantenphysik eine Verbindung von Naturwissenschaft und Religion, von Materie und Bewußtsein.
Andere Interpretationen klingen nach purer Science-fiction. So ist es z.B. eine anerkannte Theorie, daß sich das Universum bei jeder Entscheidung in zwei Kopien spaltet, die sich um genau diese Entscheidung unterscheiden.
Vieles davon klingt absurd, manche Phänomene lassen sich jedoch nur so erklären.
Der berühmte Physiker Richard Feynman sagte einmal: "Ich glaube, ich kann sicher sagen, daß niemand heute die Quantenmechanik versteht", womit er sich selbst einschloß. Dieser Umstand fiel uns auch bei der Erstellung dieses Projektes auf, sich die Informationsquellen zum Teil stark voneinander abwichen.
Wird die Quantenphysik eines Tages vollständig verstanden, so werden die daraus hervorgehenden Anwendungen unser Leben in kaum begreifbaren Ausmaß verändern.