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Mit dem Spin zum Quantencomputer

Der Weg hin zum Quantencomputer ist noch weit. Schritt für Schritt nähert sich die internationale Quantenforschung jedoch dieser Vision eines Rechners, der leistungsstärker sein soll als alles, was bisher selbst von Hochleistungscomputern bekannt ist. Vom 16. bis 20. August 2010 präsentieren und diskutieren internationale Wissenschaftler, unter anderem aus den USA, Japan, Großbritannien, Deutschland und
der Schweiz, auf der Konferenz „Spin-based quantum information processing“ aktuelle
Forschungsergebnisse, um sich dem Ziel eines Quantencomputers weiter anzunähern.

Im Rahmen einer Summer School sind darüber hinaus gut 100 internationale Nachwuchswissenschaftler eingeladen. Organisiert wird die Konferenz von dem Konstanzer Physiker Prof. Guido Burkard, Mitorganisator ist der Basler Physiker Prof. Daniel Loss. Veranstaltungsort der Konferenz ist das Konstanzer Inselhotel. Die allgemeine Fragestellung lautet: Wie sind die Gesetze der Quantenphysik nutzbar, um neue Formen der Informationsverarbeitung, wie sie Quantencomputer oder Quantenkryptografie darstellen, zu verwirklichen? Im Besonderen werden verschiedene Materialien diskutiert, in denen der Spin eines Elektrons ausgenutzt werden kann.

Dieser Eigendreh-Impuls eines Elektrons liefert wie dessen elektrische Ladung die Möglichkeit der Informationsverarbeitung, allerdings mit quantenmechanisch vervielfachtem Effekt: Das Bit eines herkömmlichen Computer weist aufgrund des binären Prinzips die Einstellungen 0 oder 1 auf. Mit dem Spin ist es möglich, dass sogenannte Qubits mehrere Zustände gleichzeitig einnehmen. Damit würden die Rechner nicht nur schneller werden und weniger Energie verbrauchen, sondern könnten mit der damit einhergehenden quantenmechanischen Eigenschaft der Überlagerung mehrerer Zustände zahlreiche Rechenoperationen gleichzeitig durchführen. Diese Quanteneigenschaft, die „Quanten-Kohärenz“, ist allerdings auch das Problem: Sie ist sehr störanfällig. Aus diesem Grund suchen Wissenschaftler nach einem geeigneten Material, das in winzigen Strukturen aus Halbleitermaterial, in extrem dünnen Graphit-Schichten und derzeit in Diamanten vermutet wird.

Mit Hilfe solcher Quantencomputer könnte das Problem der Faktorisierung effizienter gelöst werden, der Zerlegung großer Zahlen in Primzahlen, das dem Knacken von Verschlüsselungscodes zugrunde liegt. Zudem würde der Quantencomputer die Durchsuchung großer Datenbanken wie etwa Gen-Datenbanken erleichtern. Umgekehrt dienen die Qubits auch der Verschlüsselung. Mit ihrer Hilfe lassen sich neue kryptografische Systeme erstellen, wie sie zur Verschlüsselung von Daten etwa im Internet verwendet werden. Bisher ist eine solche Verschlüsselung nur unter der Annahme sicher, dass kein Rechner zum Einsatz kommt, der leistungsstark genug ist, um sie rückgängig zu machen. Ein Quantenkryptografiesystem hingegen könnte nicht
einmal durch einen Quantencomputer geknackt werden. (Uni Konstanz)