Was ist ein Quantencomputer?

Das Alphabet der Datenverarbeitung im Computer ist simpel, denn es umfasst nur zwei Elemente: 0 und 1. Sie beschreiben den sogenannten Bit-Zustand einer elektrischen Ladung - also den Spannungsunterschied. Andreas Wieck, Physiker an der Ruhr-Uni Bochum, vergleicht die Elektronen dabei mit einem Schwarm Fische, die in elektrischen Leitern und Halbleitern sitzen - nur, dass sich die Fische nicht von selbst bewegen, sondern eben stimuliert werden müssen. Sie schwimmen los, wenn sie mit elektrischer Spannung in Berührung kommen und ziehen sich wie ein Schwarm an der Oberfläche des Metalls oder Halbleiters zusammen.

Um Daten im Computer zu verarbeiten, werden die beiden Bit-Zustände codiert - es entstehen Zahlenreihen aus Nullen und Einsen. Aber Elektronen hätten noch andere Eigenschaften, sagt Wieck, und die haben er und seine Forscherkollegen genutzt, um sogenannte Quantenbits herzustellen. "Die Erweiterung von Bits auf Quantenbits kann die Rechenleistung von Computern dramatisch steigern", so der Bochumer Physiker. Denn damit könne man mehr als nur zwei Zustände definieren. Wieck hatte dies bereits vor 22 Jahren vorausgesagt und 2012 mit Kollegen aus Grenoble und Tokio umgesetzt.

Vom Bit zum Quantenbit

Die Verwandlung in ein Quantenbit funktioniert folgendermaßen: Normalerweise bewegen sich stimulierte Elektronen auf definierten, parallelen Wegen durch das Metall oder den Halbleiter. Die Forscher sendeten eine weitere elektrische Welle. Aus dem Schwarm pickte sich die Welle einen Elektronenfisch heraus, der quasi auf dieser Welle "surfte".

Anschließend nutzten die Forscher die "Surfbahn" des Elektrons durch zwei dicht beieinander liegende Kanäle. Eigentlich kann sich das Elektron nur in einem der beiden Kanäle bewegen - also den Zustand 0 oder 1 annehmen. Indem die Forscher beide Kanäle koppelten, surfte das Elektron simultan in beiden - die Zustände überlagerten sich zu einem Quantenbit. Diese Überlagerungen bilden ein weitaus umfangreicheres Alphabet der Datenverarbeitung als das binäre System. Ein Problem bleibt aber: Nicht alle Elektronen wollen mitsurfen. "Bislang nur ein paar Prozent", sagt Wieck.

Wie weit Quantencomputer heute schon entwickelt sind ist fraglich. Die Washington Post berichtete dieser Tage unter Berufung auf den ehemaligen US-Geheimdienst-Mitarbeiter Edward Snowden, dass der Geheimdienst NSA einen Super-Quantencomputer entwickle. Bislang sind Quantencomputer vor allem ein theoretisches Konzept, das im Labor erprobt wird.

Michael Marthaler, ein Entwickler von Quantencomputern am Institut für Theoretische Festkörperphysik des KIT Karlsruhe, erklärte im Gespräch mit der Deutschen Welle, dass jegliche Forschung an Quantencomputern auf sehr lange Zeit von mindestens 20 Jahren, wahrscheinlich aber sogar auf längere Zeiträume, angelegt sei. Dass "zeitnah ein Quantencomputer gebaut wird, der kryptografisch nutzbar ist", sei "sehr unwahrscheinlich."