Quantensystem findet Daten schneller

Ein universeller Quanten­computer ist zwar noch eine Zukunfts­vision. Spezielle Quanten­systeme, die versprechen, eine bestimmte Aufgabe schneller als ein klas­sischer Computer lösen, spielen in der Wissen­schaft bereits jetzt eine große Rolle. Ein konven­tioneller Computer muss, um ein bestimmtes Element in unsor­tierten Daten sicher zu finden, im ungüns­tigsten Fall alle Such­elemente nach­einander durchlaufen. Ein Quanten­system mit implemen­tiertem Grover-Suchalgo­rithmus verringert die Suchzeit, da es zeitgleich auf alle Zustände inner­halb einer Super­position angewendet werden kann.

Forscher­gruppen um die Wolfgang Werns­dorfer und Mario Ruben am Karls­ruher Institut für Techno­logie KIT ist nun gemeinsam mit Wissen­schaftlern des Insti­tuts Néel in Grenoble genau dies gelungen: Die Wissen­schaftler haben nun den Grover-Algorithmus auf einen mole­kularen Magneten angewandt und damit erfolg­reich ein Quanten­system erschaffen, dessen Aufgabe das schnelle Auffinden von Such­elementen in unsor­tierten Daten ist. Sie haben die Mach­barkeit einer schnellen Suche für eine kleine Daten­bank von vier Elementen exem­plarisch belegt. „Aller­dings“, so Ruben „kann diese Methode in jeglichen Quanten­systemen mit vielen, nicht-äqui­distanten Energie­niveaus imple­mentiert werden, was den Weg hin zu einem univer­sellen Quanten­suchalgo­rithmus eröffnet“.

Im aktuellen Fall wurde der Grover-Algo­rithmus in einen mole­kularen Magneten imple­mentiert, der mit speziell designten Mikro­wellen in eine Super­position gebracht wurde. Bei diesem Quanten­effekt kann sich ein Teilchen zugleich in ver­schiedenen Zuständen befinden. Nach der Ausführung der Quanten­operationen las ein Einzel­molekül­transistor die Sucher­gebnisse aus. Wolfgang Werns­dorfer betont, dass diese Mani­pulation von Quanten­zuständen zwar bei sehr tiefen Tempera­turen, aber unter ausschließ­licher Nutzung von elek­trischen Feldern gelang. „Deshalb haben wir die Hoffnung, dass sich diese Tech­nologie in aktuelle elek­tronische Geräte inte­grieren lässt“, so Werns­dorfer.

Der maßge­schneiderte Molekül-Transistor wurde in Mario Rubens Gruppen am Institut für Nanotech­nologie und am Institut für Anorga­nische Chemie des KIT synthe­tisiert. Er besitzt in der Mitte ein Terbium-Atom, das über ein ausge­prägtes magne­tisches Moment verfügt. Umgeben ist das Terbium von orga­nischen Molekülen, die es ab­schirmen und somit gegen äußere Einflüsse robust machen.

KIT / JOL