Quantencomputer auf dem Vormarsch

Forschende des Laboratory for Web Science (LWS) der FFHS arbeiten an der Entwicklung des Quantencomputers mit. Denn: Die immer kleiner werdenden Rechner aus Silizium stossen an die Grenzen der klassischen Physik.

Als Nutzer von Smartphones und Desktop-Computern haben wir uns daran gewöhnt, dass unsere Geräte jedes Jahr schneller werden. Die grossen Chip-Hersteller stossen aber allmählich an die Grenzen des physikalisch Möglichen. Heutige Computer funktionieren elektronisch. Doch je kleiner deren elektronische Bauteile werden, desto stärker machen sich die seltsamen Eff ekte jener Domäne bemerkbar, die der Mechanik und der Elektronik zu Grunde liegt: Die Quantenphysik. 

Am Ende der klassischen Physik 

Forscher weltweit arbeiten deshalb unter Hochdruck daran, Computer zu bauen, die die Möglichkeiten der Quantenphysik nutzen. In der Theorie ist klar, dass Quantencomputer Probleme lösen können, an denen heutige, transistorbasierte Computer scheitern. Dazu gehört insbesondere die Primfaktorzerlegung. Heute bauen viele E-Sicherheitsmechanismen darauf, dass dieses Problem nicht lösbar ist. Quantencomputer werden aktuelle Sicherheitsmechanismen also relativ einfach knacken können, gleichzeitig aber neue, absolut sichere Verschlüsselungsmethoden möglich machen. 

Aktuell beschäftigt sich das Feld aber noch mit den mathematischen und experimentellen Grundlagen. So versucht auch das Team des Laboratory for Web Science mit rigoroser Mathematik die Quantenmechanik – die genaueste naturwissenschaftliche Theorie überhaupt – besser zu verstehen und ihren technischen Nutzen auf Quantencomputer auszuweiten. 

Atom-Spins als neue Schalter 

Unsere Publikation «Continuous-Time Quantum Walks on Directed Bipartite Graphs» konzentriert sich darauf, das Verhalten einer einzelnen Spin-Anregung auf einem Kollektiv von Atomen zu beschreiben. Quantenmechanisch muss man sich die Spin-Anregung als einen geisterhaften Teleporter vorstellen, denn zu jedem Zeitpunkt gibt es jeweils nur eine Wahrscheinlichkeit (keine Gewissheit), dass die Spin-Anregung sich auf einem bestimmten Atom befi ndet. Durch diese fundamentalen Gesetzmässigkeiten ergeben sich neuartige Rechenfähigkeiten. 

Wir zeigen mathematisch exakt, dass für eine grosse Klasse von solchen Spin-Systemen ein einstellbares, experimentelles Setup existiert, in welchem die Spin-Anregung nicht mehr jedes beliebige Atom erreichen kann. Dies entspricht in etwa einem «Schalter», ähnlich den Transistoren in heutigen Computern. Das Verständnis solcher Gesetzmässigkeiten, so hoff en wir, wird zur Entwicklung von funktionierenden Quantencomputern beitragen. Erschienen ist unsere Publikation in der renommierten Physical Review A.