Quantencomputer

Heute übliche Computer arbeiten mit auf Silicium-Halbleitern basierenden Mikroprozessoren. Diese Computer sind für spezielle mathematische Probleme jedoch nicht schnell genug. Gründe dafür sind sowohl deren Rechengeschwindigkeit als auch die mathematischen Lösungsansätze - die Algorithmen -, die mit größer werdenden Zahlen in erheblichem Umfang zunehmen. Eine mögliche Folge davon kann sein, dass ab einer bestimmten Zahlengröße einige mathematische Probleme mit großen Zahlen aufgrund der begrenzten Lebenszeit der Menschen in einem überschaubaren Zeitraum nicht lösbar sind.

Zur Zeit noch in der Entwicklung befindliche Quantencomputer nutzen die Möglichkeiten der jenseits der klassischen Physik wirkenden Quantenphysik. Dadurch lassen sich spezielle Algorithmen, so genannte Quantenalgorithmen, anwenden, die bei der Berechnung größerer Zahlen in einem kleineren Umfang zunehmen als bei klassischer Berechnungsweise. Auf Quantencomputer angewandte klassische Algorithmen würden keine Vorteile bringen, da die quantenmechanischen Eigenschaften nicht genutzt würden. Diese quantenmechanischen Prinzipien und Methoden werden dem Gebiet der Quanteninformatik zugeordnet. Das sich mit der Erforschung und Entwicklung quantenmechanischer Rechenprinzipien und deren gerätetechnischer Umsetzung befassende Gebiet trägt den Namen Quantum Computing.

Quantencomputer lassen sich aufgrund der Wirkprinzipien als Parallelcomputer mit extrem hoher Kapazität und Schnelligkeit bezeichnen. D.h. es lässt sich eine Vielzahl von Rechenschritten parallel ausführen (bezeichnet als Quantenparallelität), wodurch die hohe Schnelligkeit realisiert wird.

Beispielsweise könnten folgende Erscheinungen der Quantenphysik für die Funktion eines Computers genutzt werden:

• Verschränkung: Zwei Partikel, z.B. Photonen sind miteinander verbunden. Bei Veränderung eines Partikels wirkt sich diese Änderung auch auf das andere Partikel aus. Diese Erscheinung wird nach ihren Entdeckern - den Physikern Einstein, Podolsky und Rosen - EPR-Paradoxon genannt.*Superposition und Dekohärenz: Ein Partikel kann sich in einem Zwischenzustand zwischen mehreren Zuständen befinden, somit in dem Zustand der Superposition. Wird aus dem Zustand der Superposition wieder ein reiner Zustand - ein bestimmter Zustand wie für ein klassisches Teilchen - heißt dieser Vorgang Dekohärenz. Diese Dekohärenz - das Zerfallen quantenmechanischer Zustände - ergibt sich durch die unvermeidbare Kopplung an die Umgebung. Die spontane, ungewollte Dekohärenz ist damit ein großes Problem bei der Rechnerfunktion nach quantenmechanischen Prinzipien.Aufgrund der oben genannten Erscheinungen ergeben sich einige Anwendungsmöglichkeiten:

• Übertragung von zwei Bits mit nur einem physikalischen Bit. Die Träger einer solchen Informationseinheit werden als Qubits (Abk. für: Quantenbits; Einheit der Quanteninformation) bezeichnet. Diese Informationsträger stellen quantenmechanische Zwei-Niveau-Systeme dar, die nach den Regeln der Quantenmechanik (insbesondere Verschränkung und Superposition) manipuliert werden können.*die als Teleportation bezeichnete Übertragung eines Quantenzustandes *die Quantenkryptographie, mit der Schlüssel zum Ver- und Entschlüsseln von Nachrichten festgelegt und ausgetauscht werden können.Für den Bau eines Quantencomputers sind je nach angestrebter Leistung Tausende Qubits erforderlich, die zu Quantengattern verknüpft werden. Diese Qubits müssen gekoppelt werden, wobei die quantenmechanischen Eigenschaften auf jeden Fall erhalten bleiben müssen. Bedingt durch die auf der Quantenphysik basierenden Wirkprinzipien sind derartige Computer sehr empfindlich gegenüber im System und von außen wirkenden Störungen.

Für spezielle Aufgaben, beispielsweise die Primfaktorzerlegung in der Mathematik, gelang es nachzuweisen, dass Quantencomputer zur Lösung weniger Rechenschritte benötigen als nach klassischen Wirkprinzipien arbeitende Computer.