Realistische Quantencomputer: Neue Methoden zur Vermeidung und Korrektur von Fehlern

Vor mehr als einem Jahrzehnt schlug der amerikanische Physiknobelpreisträger Richard Feynman vor, sich die [Quantenmechanik zur Beschleunigung von aufwendigen Berechnungen nutzbar zu machen [11. Feynman inspirierte die Beobachtung, daß die Simulation schon von kleinen quantenmechanischen Systemen auf herkömmlichen, klassischen Computern ein aufwendiges Problem darstellen kann. Er zog den Schlug, daß ein Computer, welcher auf quantenmechanischen Prinzipien basiert, effizienter und schneller sein müßte. Man erkannte allerdings bald, daß die Herstellung eines Quantencomputers ein technologisch nahezu unmögliches Unterfangen darstellte. Zudem waren keine nützlichen Quantenalgorithmen bekannt, die den Aufwand gerechtfertigt hätten. Das Forschungsgebiet kam erst vor wenigen Jahren wieder in Bewegung. 1993 fand der Mathematiker Peter Shor (AT&T Bell Labs) einen effizienten Quantenalgorithmus zur Zerlegung von großen Zahlen in Primfaktoren [2]. Auf dem Umstand, daß kein effizienter Faktorisierungs-Algorithmus für klassische Computer bekannt ist, beruht die Sicherheit von heute verwendeten Verfahren zur Datenverschlüsselung [3]. Einen weiteren Impuls erhielt das Gebiet durch das Engagement von Physikern aus dem Bereich der Quantenoptik, welche experimentell realisierbare Vorschläge für erste Prototypen erarbeiteten. Das bislang vielversprechendste System basiert auf der Technologie des Einfangens und Laser-Kühlens einzelner Ionen. Dieses Modell eines Quantencomputers wurde von Ignacio Cirac und Peter Zoller (Univ. Innsbruck) vorgeschlagen [4] und wird derzeit an mehreren Forschungsstätten in Europa und den USA experimentell realisiert [5]. Ein konzeptuell andersgeartetes System wurde im Rahmen meiner Dissertation entwickelt [6]. Die Realisierung dieses Vorschlags wird am California Institute of Technology sowie am IBM Research Center Almaden erwogen. Das Hauptproblem einer experimentellen Realisierung sind störende Umwelteinflüsse, welche die quantenmechanischen Kohärenzeigenschaften zerstören. Es ist daher von fundamentaler Bedeutung, Methoden zur Korrektur dieser Fehler zu finden. Die erste Generation derartiger Verfahren wurde unabhängig von Peter Shor und Andrew Steane (Univ. of Oxford) vorgeschlagen [71. Diese können allerdings nur Fehler korrigieren, welche im Quantenspeicher stattfinden während keine Rechnungen durchgeführt werden. Es stellte sich bald heraus, daß das wirkliche Problem in jene Fehler sind, welche durch die Rechenoperationen selbst verursacht werden. Es wurden zwei konzeptuell verschiedene Methoden vorgeschlagen, um dieses Problem zu lösen. Der erste Vorschlag wurde in der Arbeitsgruppe von Prof. Zoller in Innsbruck mit meiner Beteiligung erarbeitet [8]. Das Verfahren ist speziell für den Ionenfallen-Quantencomputers entwickelt worden und zeichnet sich durch Effizienz und experimentelle Realisierbarkeit aus. Der zweite Vorschlag stammt von Peter Shor und ist allgemeiner, aber andererseits auch weit aufwendiger in der Realisierung [91. Mein primäres Forschungsziel während meines Aufenthaltes an der Universität Oxford ist es, ein Fehlerkorrekturverfahren zu entwickeln, welches die Vorteile der beiden obengenannten vereint. Insbesondere gilt es, die Allgemeinheit des Verfahrens von Shor zu erreichen und gleichzeitig die Effizienz unseres Verfahrens bis zu einem gewissen Grad zu erhalten. Mir scheint dies ein ambitioniertes, wenngleich aussichtsreiches Forschungsvorhaben zu sein. Weiters plane ich Fehlerkorrekturverfahren für andere realistische Systeme (wie zum Beispiel für [51) zu erarbeiten. Das Entwickeln von alternativen, für Quantencomputing geeignete Systeme wird ebenfalls ein Forschungsinteresse bleiben, wenngleich die Erfolgsaussichten hier schwer vorherzusagen sind.