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Nicht gesucht und doch gefunden

Amerikanische Forscher haben eine der wohl befremdlichsten Eigenschaften eines Quantencomputers erfolgreich im Labor nachgewiesen: In einem Experiment mit Laserstrahlen gelang es ihnen zu zeigen, dass sich mithilfe der Gesetze der Quantenmechanik das Ergebnis einer Rechenaufgabe bestimmen lässt, ohne den zu ihrer Lösung nötigen Algorithmus auszuführen. Die Wissenschaftler glauben, dadurch der Herstellung eines praktikablen Quantencomputers einen Schritt näher gekommen zu sein.

So ganz ohne Arbeit geht es doch nicht vonstatten, so Onur Hosten, ein Mitarbeiter der Forschergruppe der Universität von Illinois in Urbana-Champaign. Um die gestellte Rechenaufgabe zu lösen, muss der Algorithmus wie bei gewöhnlichen Computern auch zuerst einmal programmiert werden. Die seltsamen Gesetze der Quantenmechanik ermöglichen es allerdings nun, dass ein ihnen gehorchender Quantencomputer den Algorithmus nicht ausführen muss und trotzdem sein Endergebnis herausgeben kann.

Dies hängt damit zusammen, dass in der Quantenmechanik Teilchen gleichzeitig in mehreren verschiedenen, einander ausschließenden physikalischen Zuständen sein können, solange keine Messung an ihnen durchgeführt wird. Ein Quantencomputer könnte somit in einen Zustand versetzt werden, in dem er den Algorithmus gleichzeitig ausführt und nicht ausführt.

Hostens Gruppe hat nun genau dies bewerkstelligt, und gleichzeitig mit einem Trick die Wahrscheinlichkeit vergrößert, dass das Endergebnis der Berechnung ohne deren Ausführung ausgegeben wird. Dem so genannten Zeno-Effekt zufolge muss dazu nur nach dem Zustand „nicht ausgeführt“ gesucht werden ? dies erhöht automatisch die Wahrscheinlichkeit, dass der Quantencomputer das Ergebnis des Algorithmus ausgibt.

In dem Experiment bestand der Quantencomputer aus einzelnen Photonen, deren Quantenzustände durch Laserstrahlen verändert werden konnten. Eine zuvor festgelegte Operation entsprach dabei dem oben beschriebenen Algorithmus. Die Forscher brachten die Photonen nun in eine Überlagerung zweier Zustände, in denen sie der gewünschten Operation gleichzeitig ausgesetzt und nicht ausgesetzt waren.

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Die Forscher überprüften nun in ihrem Experiment, ob jedes einzelne Photon den Weg „nicht ausgeführt“ beschritt und erhöhten damit automatisch die Wahrscheinlichkeit, dass die Photonen der Operation unterworfen wurden. Durch eine anschließende Messung des Quantenzustandes konnte dies in der Tat bestätigt werden.

Dieses komplizierte Experiment wirft nun die Frage auf, ob somit schon das Programmieren eines Computerprogramms allein zur Lösung eines bestimmten Problems ausreichen würde. Da das unter Umständen langwierige Programm nicht ausgeführt werden muss, könnten auf diese Weise die Rechenkosten eingespart werden.

Nature, Band 439, Seite 949 Stefan Maier
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