Ein funktionierender Quantencomputer ist zwar noch Zukunftsmusik, doch im Labor existieren bereits die ersten Bestandteile dafür (Fotos: J. Schmiedmayer, Uni Heidelberg; SPEC, CEA-Saclay; G. Birkl) (vgl. ab S. 25).
Physik Journal 11 / 2005
Inhaltsverzeichnis
Aktuell
High-Tech
Im Brennpunkt
Schwerpunkt
• 11/2005 • Seite 25
Mit Quanten ist zu rechnen
Die Quantentheorie hat unzweifelhaft Physik und Technik revolutioniert und ebenso tiefschürfende Fragen in der Mathematik und Philosophie aufgeworfen. Mit dem Konzept des Quantencomputers erhält nun auch die Informatik neue Impulse. Die quantenmechanischen Gesetze erlauben nämlich grundsätzlich neuartige Ansätze, um Probleme zu knacken, für die auf klassischen Computern bislang kein effizientes Lösungsverfahren bekannt ist.
• 11/2005 • Seite 31
Qubits, Gatter und Register
Zwar ist ein funktionierender Quantencomputer noch Zukunftsmusik, doch die theoretischen Grundlagen für seine Funktion, gewissermaßen sein Schaltplan, stehen bereit. Die Grundbausteine eines Quantencomputers lassen sich bereits mit gespeicherten Ionen oder mit neutralen Atomen in optischen Gittern realisieren. Letztere versprechen darüber hinaus die erste nichtriviale Anwendung der Quanteninformationsverarbeitung: die Simulation von bestimmten Vielteilchensystemen, die für klassische Computer unzugänglich sind.
• 11/2005 • Seite 37
Ionen in Reih und Glied
Ist eine Münze gezinkt oder nicht, d. h. weist sie Kopf und Zahl auf oder stimmen beide Seiten überein? Ein einfacher Quantenalgorithmus erlaubt es, diese Frage mit nur einem Blick auf die Münze statt zweien zu beantworten. Der ''Rechner'', auf dem dieser Algorithmus ausgeführt wird, besteht nicht aus Transistoren, sondern aus kalten, eingesperrten Ionen.
• 11/2005 • Seite 45
Atom-Chips, optische Gitter und Mikrolinsen
Nach den großen Erfolgen in der Quanteninformationsverarbeitung mit gespeicherten Ionen zeichnen sich vergleichbare Ergebnisse auch mit neutralen Atomen ab. Wie Ionen lassen sich Atome fast vollständig von der Umgebung abschirmen, und die verschiedenen Ansätze zur Implementierung atomarer Quantenprozessoren wie ''Atom-Chips'', Fallen aus Mikrolinsen oder optische Gitter versprechen eine hohe Flexibilität und Skalierbarkeit.
• 11/2005 • Seite 51
Qubits (fast) zum Anfassen
Bauelemente aus Festkörperstrukturen bieten für die Quanteninformationsverarbeitung mehrere Vorteile: Sie lassen sich schnell schalten, sie sind im Prinzip zu großen Systemen skalierbar und sie können in elektronische Kontroll- und Messkreise integriert werden. Allerdings führt die Kopplung an die externen Schaltkreise und die Umwelt auch zu Dekohärenz, deren Ursachen und Auswirkungen ein wesentlicher Schwerpunkt der aktuellen Forschung sind. Die größten Fortschritte wurden bislang mit Qubits erzielt, die auf Josephson-Kontakten beruhen.
• 11/2005 • Seite 57
Geheime Botschaften aus Licht
Durch die kommerzielle Bedeutung des Internet haben zuverlässige Methoden der Datenverschlüsselung Einzug in den Alltag gehalten. Ein gängiges Verschlüsselungsverfahren beruht darauf, dass es in endlicher Zeit kaum möglich ist, riesige Zahlen in ihre Primfaktoren zu zerlegen. Während es die Gesetze der Quantenmechanik im Prinzip erlauben, mit einem Quantencomputer dieses Verfahren zu knacken, liefern sie zugleich die Voraussetzungen für ein anderes, absolut sicheres Verschlüsselungsverfahren.
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• 11/2005 • Seite 81
