Extrem schnelle Suchalgorithmen mit dem Quantencomputer

Wenn man eine Münze wirft, liegen danach entweder Kopf oder Zahl oben. Eine atomare "Münze" kann dagegen nach dem Wurf eine Überlagerung aus Kopf und Zahl zeigen. Überlässt man einer solchen Münze die Entscheidung, wohin ein Quantenteilchen wandern soll, treten ungewöhnliche Effekte auf.

Diese Effekte haben nun Physiker der Universität Bonn erstmals in einem Experiment zeigen können. Ihre Studie erscheint in der kommenden Ausgabe des Wissenschafts-Magazins "Science". Sie ist ein erster wichtiger Schritt auf dem Weg zu extrem schnellen Suchalgorithmen für Quantencomputer.

Als Münze diente den Bonner Physikern ein einzelnes Caesium-Atom. Anders als ihr makroskopisches Pendant können Atome in einer Überlagerung verschiedener Zustände existieren. Es liegen dann gewissermaßen gleichzeitig "ein bisschen Kopf" und "ein wenig Zahl" oben. Physiker sprechen auch von Superposition.

Die Bonner Forscher haben ihr Caesium-Atom mit zwei Förderbändern aus Laserstrahlen in entgegengesetzte Richtungen gezogen - den "Kopf"-Anteil nach rechts, den "Zahl"-Anteil nach links. So konnten sie die beiden Zustände um Bruchteile eines tausendstel Millimeters gegeneinander verschieben. Danach "würfelten" die Forscher neu und brachten jeden der beiden Bestandteile wieder in eine Superposition aus Kopf und Zahl. Nach mehreren Schritten eines derartigen "quantum walks" befindet sich ein solches auseinander gezerrtes Caesium-Atom gewissermaßen überall. Erst wenn man seine Position misst, "entscheidet" es sich, an welcher Stelle des Laufstegs es auftauchen möchte.

Mit dem "quantum walk" ist dem Team um Professor Dr. Dieter Meschede ein bahnbrechender Schritt auf dem Weg zum Quantencomputer gelungen. Mit dem Effekt lassen sich nämlich ganz neue Algorithmen realisieren. Ein Beispiel sind Suchvorgänge: Will man heute in einer Reihe von Nullen eine einzige Eins aufspüren, muss man alle Ziffern einzeln überprüfen. Ein "quantum walk"-Algorithmus kann dagegen an vielen Stellen gleichzeitig nachschauen. Die Suche nach der sprichwörtlichen Nadel im Heuhaufen würde dadurch extrem beschleunigt. 

Quelle: Universität Bonn