Rechenübung für Fortgeschrittene

Aus unserem täglichen Leben sind Computer und der Austausch von Daten in digitaler Form nicht mehr wegzudenken. Informationen werden dazu in Form von Bits gespeichert und verarbeitet. Jedes einzelne Bit nimmt entweder den Wert 0 oder 1 an. Im Gegensatz dazu können Quantenbits, die elementaren Träger von Quanteninformation, alle Überlagerungszustände der Quantenzustände |0> und |1> annehmen. Gemäß der Quantentheorie geht der Zustand eines Quantenbits erst bei seiner Messung in einen der klassischen Werte 0 oder 1 über. Ein Überlagerungszustand aus |0> + |1> wird in 50 von 100 Fällen als 0 und in den anderen 50 Fällen als 1 ermittelt. Bei jeder einzelnen Messung ergibt sich völlig zufällig einer der beiden Werte.

Das renommierte Wissenschaftsmagazin "Science" berichtet in der Ausgabe vom 4. Juni über neue Erkenntnisse aus dem Institut für Experimentalphysik an der Universität Innsbruck. Die Forschungen betreffen die Verschränkung von drei Quantenbits in einem elementaren Quantencomputer und dessen selektive Auslese durch eine Quantenmessung. Verschränkung spielt eine zentrale Rolle bei der Steigerung der Rechenleistung in einem Quantenrechner, wohingegen das selektive Auslesen es erlaubt, gezielt einen Teil der Quanteninformation auszulesen. Im Experiment wurden dazu die Ionen in einer Paul-Falle gespeichert und durch eine Sequenz von Laserpulsen in einen verschränkten Zustand gebracht. Der Gesamtzustand aller Teilchen ist dann wohlbekannt, der Zustand jedes einzelnen Teilchens aber völlig unbekannt. Dieser Begriff der Verschränkung wurde vom österreichischen Physiker Erwin Schrödinger bereits in den dreißiger Jahren des letzten Jahrhunderts eingeführt.

Interessanterweise gibt es zwei grundlegend verschiedene Klassen der Verschränkung - einerseits die der sogenannten Greenberger-Horne-Zeilinger-Zustände und andererseits die der W-Zustände, mit völlig unterschiedlichen Eigenschaften. Diese zeigen sich besonders deutlich, wenn man nur eines der Quantenbits beobachtet, d.h. seinen Zustand zu 0 oder 1 bestimmt. Wie die Messungen aus Innsbruck nun zeigen, kann man sogar auf dieses Ergebnis reagieren und an den restlichen Quantenbits weitere Rechenoperationen durchführen, abhängig vom Ergebnis der ersten Messung.

Was ist der Sinn dieser Anstrengungen? Die neuen Experimente eröffnen die Möglichkeit, wichtige und weit kompliziertere Quanten-Rechenprozesse zu verwirklichen. Dazu zählen unter anderem die Teleportation von materiellen Quantenbits und die Fehlerkorrektur in einen Quantencomputer. Außerdem zeigen die Experimente, in welcher nahezu idealen Weise sich einzelne, gefangene Atome für die Realisierung eines Quantencomputers eignen, um die Informationsverarbeitung der Zukunft völlig zu verändern. Die Forschergruppe um Univ.-Prof. Dr. Rainer Blatt in Innsbruck arbeitet auf diesem Gebiet an der Weltspitze. (cf/bb)