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Knoten sind sein Hobby © Universität Oxford
Knoten sind sein Hobby © Universität Oxford

APA

Mit Knoten und Zöpfen zum topologischen Quantencomputer

12.12.2019

Diese Meldung ist Teil einer wöchentlichen Zusammenfassung für den APA-Science-Newsletter Nr. 45/2019 und nicht zwingend tagesaktuell

Knoten, Weltlinien und Zöpfe - das sind einige der exotisch klingenden Grundlagen von topologischen Quantencomputern, die bei ähnlicher Leistung stabiler als konventionelle Quantencomputer laufen könnten. In der Praxis funktioniert das Konzept noch nicht, das theoretische Fundament dafür ist jedoch vielversprechend, ist der Physiker Steven Simon von der Universität Oxford überzeugt.

Mit seiner wissenschaftlichen Arbeit möchte der US-Amerikaner, der kürzlich einen Vortrag am Institute of Science and Technology (IST) Austria in Klosterneuburg hielt, eine "ehrliche Beurteilung" für den topologischen Ansatz für Quantencomputer liefern. Auch wenn Erfolgsmeldungen in jüngerer Zeit ganz klar aus dem "klassischen" Bereich kommen, räumte Simon im Gespräch mit der APA ein: "Google hat nun einen Vorsprung auf alle anderen, sie sind klar voran." Erst vor kurzem hat der IT-Konzern verlautet, mit seinem 54 Quantenbits starken Prozessor die Überlegenheit von Quantencomputern ("quantum supremacy") gegenüber den schnellsten herkömmlichen Computern nachgewiesen zu haben.

Unter Ausnutzung von Phänomenen wie Quantenüberlagerung und -verschränkung können Quantencomputer einen exponentiell größeren Rechenraum bearbeiten, als es mit klassischen Bits möglich ist. Dieses Bit im handelsüblichen Computer kann exakt zwei Zustände einnehmen (0 oder 1). Ein aus einem Quantensystem gebildetes Qubit kann dagegen beide Zustände gleichzeitig annehmen.

Neues Konzept verwendet Knoten als Recheneinheiten

Eine gänzlich andere Philosophie steht hinter topologischen Quantencomputern, in deren Entwicklung vor allem Microsoft investiert. Und sie ist nicht weniger komplex als jene konventioneller Quantenrechner: Das theoretische Konzept beruht auf Anyonen. Das sind Quasi-Teilchen, die nur in zwei Dimensionen existieren. Bewegt man die Teilchen umher und bezieht dabei die Zeitdimension mit ein, lässt sich das mit der Relativitätstheorie als sogenannte Weltlinien interpretieren. Damit wird der Verlauf der Raumkurve bezeichnet, entlang der sich ein Objekt in der Raumzeit bewegt.

Die einander umwickelnden Weltlinien der Anyonen bilden in der dreidimensionalen Raumzeit "Quanten-Zöpfe" ("braids"). An deren Kreuzungspunkten entstehen Knoten, die sich anhand der Topologie, einem Teilgebiet der Mathematik, beschreiben und messen lassen. Diese Knoten wären somit die elementaren Recheneinheiten eines derartigen Quantencomputers.

Mit solchen Knoten und der dahinterliegenden Knotentheorie beschäftigt sich Simon schon seit seiner Studienzeit, als er das Buch "Knots and Physics" des Mathematikers Louis Kauffman in die Hände bekam. Zu seinem Glück verknüpfte sich die Knotentheorie im Laufe der Zeit immer mehr mit jenen Problemen der Physik, denen er sich widmete und die für ihn bis heute relevant sind. Selbst ist er zwar nicht unmittelbar in die Entwicklung eines topologischen Quantencomputers involviert, wie der seit 2009 an der Universität Oxford tätige Wissenschafter sagt. Er stehe aber in ständigem Austausch mit Forschern, die an dessen experimentellen Grundlagen arbeiten.

Ob und wann, das "ist die Millionen-Dollar-Frage"

Eine Prognose, wann ein solcher Computer einsatzbereit sein könnte, wagt der seit 2009 an der Universität Oxford tätige theoretische Physiker nicht. "Ob der Knoten-und-Zöpfe-Ansatz nun die Route zum Quantencomputer ist, ist die Millionen-Dollar-Frage. Sehr viele Leute stecken da viel Arbeit hinein, und irgendwo ist darin wohl auch ein Nobelpreis versteckt", sagt Simon. Eine Schwäche der bisher entwickelten Quantencomputer-Systeme ist ihre Empfindlichkeit, sie lassen sich sehr leicht von Umgebungseinflüssen stören. Dem hätte ein topologischer Quantencomputer etwas voraus: "Er hat diese inhärente Immunität gegenüber Störungen. Die Idee des topologischen Ansatzes ist, dass man den Fehlerschutz gratis dazu bekommt."

Letzten Endes ist es aus der Sicht des Physikers aber gar nicht so entscheidend, welches System sich einmal durchsetzt: "Sogar wenn dieser spezielle Ansatz zum Quantencomputing mit fliegenden Fahnen untergeht, wird es nicht umsonst gewesen sein. Es gibt noch immer theoretische Ideen, die wir aus diesem Feld in das andere überführen können, und das kann sich als sehr wichtig erweisen."

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