Rechnen nach Art der nächsten Generation
Aus der Kombination der Informationsverarbeitung und der Quantenmechanik ist die Idee des Baus von Quantencomputern erwachsen. Hier will man Quanteneigenschaften wie die Superposition - die Vorstellung, dass Materie gleichzeitig an mehreren Orten existieren kann - und die Quantenverschränkung ausnutzen, gemäß der zwei Materieteilchen gleiche Eigenschaften haben und sich identisch verhalten, während sie getrennt sind. Übliche Bits speichern Zustände, indem entweder Eins oder Null verzeichnet wird, während "Qubits" (Quantenbits) Informationen sowohl als gespeichert als auch im Zustand der Verschränkung mit anderen Teilchen darstellen können. Ein Qubit hat zwei Energieniveaus. Die Überlagerung dieser Zustände wird durch eine Wellenfunktion beschrieben. Der Kollaps dieser Wellenfunktion, der die Quantenberechnung stoppt, trägt die Bezeichnung Dekohärenz. Ein großes Problem für den Bau eines Quantencomputers besteht darin, diesen Kollaps zu verhindern. Das EU-finanzierte 43CAQIP-Projekt ("High fidelity quantum gates with trapped 43Ca+ ions") ging an den Start, um eine Lösung für dieses Problem zu finden. Hohe Wiedergabetreue ("High fidelity ...") bedeutet, dass die Informationen mit hoher Genauigkeit übertragen werden. Das Ziel des Forschungsprojekts bestand darin, Quantengatter zur Untersuchung einfacher Quantenalgorithmen und zur Erzeugung von Vielteilchenverschränkungen zu verwenden. Das Kalziumisotop (43Ca+) hat ein Qubitsystem zu bieten, das gegen Magnetfeldschwankungen - Hauptgrund für Dekohärenz bei anderen Experimenten - immun ist. Die Quanteninformationen sind in den langlebigen internen Zuständen der gefangenen Ionen verschlüsselt. Durch die Erzeugung von Ionen in verschränkten Zuständen können diese als Logikgatter - ähnlich denen in der digitalen Elektronik - dienen. Dem Projekt gelang die Entwicklung eines Gatters, das auch bei "heißen" (schwingenden) Ionen verwendet wurde, aber keiner Laser-"Kühlung" (Reduzierung der Schwingungen) der gefangenen Ionen bedarf. Dieses Resultat des Projekts hat zentrale Bedeutung für die Weiterentwicklung des Rechnens mit Quanten, das im Allgemeinen Operationen erfordert, die die gefangenen Ionen ungewollt und unerwünscht erwärmen. Mit der Entwicklung dieser Gatter werden viel schnellere Berechnungen möglich, die die Lösung von Problemen in greifbare Nähe rücken, deren Komplexität sie mit den heutigen Computern unlösbar erscheinen lässt. Die Realisierung der Entwicklung des Verschränkungsgatters mit hoher Wiedergabetreue hat viele Chancen auf spannende Forschungsarbeit eröffnet. Das Projekt hat außerdem einen wichtigen Schritt hin zu anspruchsvolleren Quantenrechnereien geleistet.
