Die ersten Quantencomputer sind nicht in den Hightech-Labors großer Forschungsinstitute entstanden, sondern existieren bereits seit Milliarden von Jahren. Jedes Atom, jedes Elektron oder Photon ist im Prinzip nichts anderes als eine winzige Rechenmaschine. Es kann von Natur aus zwischen jeweils zwei Zuständen wählen, besitzt also das Potential eines winzigen Schalters.

Rechnen mit Chloroform © N.Podbregar

Einer dieser Zustände ist der so genannte "Spin" eine spezifische magnetische Orientierung des Atoms oder Elektrons, die entweder nach oben gerichtet - "up"- oder nach unten - "down" - sein kann. In einem magnetischen Feld kann ein Atom durch einen Radiowellenimpuls dazu gebracht werden, spontan von einem Zustand in den anderen umzuklappen. Da wir uns bei einem Atom in der Quantenwelt mit ihren Gesetzmäßigkeiten befinden, kann das Atom allerdings auch, solange sein Spin nicht direkt gemessen wird, in beiden Zuständen gleichzeitig sein.

Nach genau diesem Prinzip funktioniert einer der ersten tatsächlich konstruierten Quantencomputer, ein zwei-Qubit-Rechner, den Isaac Chuang und Neil Gershenfeld gemeinsam mit Kollegen von der Universität Oxford entwickelt haben. Hauptakteure sind hier ein Kohlenstoffstoffatom und ein ihm benachbartes Wasserstoffatom, beide gemeinsam sind Teil eines Chloroformmoleküls. In einem magnetischen Feld richten sich beide Atome ihrem Spin gemäß aus, entweder up (1) oder down (0). Durch Radioimpulse einer bestimmten Wellenlänge und Frequenz gelang es Chuang, nicht nur den Spin der Atome gezielt zu ändern, sondern auch, sie in einen Zustand der Überlagerung zu versetzen.

Um einen echten Rechner zu konstruieren, braucht es aber mehr als Nullen und Einsen. Die Informationseinheiten müssen auch bearbeitet werden können und dabei ihren Zustand entsprechend bestimmten Befehlen ändern. Bei konventionellen Computern wird dies durch eine Reihe von logischen Schaltungen, den UND, NICHT, KOPIERE und ODER-Gattern erreicht. Ein NICHT-Gatter wandelt beispielsweise alle eingehenden Bits in ihr Gegenteil um, aus einer Eins wird eine Null und umgekehrt. Ein AND-Gatter gibt nur dann eine Eins aus, wenn beide eingehenden Bits ebenfalls aus Einsen bestehen, ist dagegen eines der Input-Bits eine Null, gibt auch das AND-Gatter eine Null aus.

	Spin im Wasserstoffmolekül © N.Podbregar

Doch wie lässst sich dies auf der Quantenebene umsetzen? Ein erstes logisches Gatter auf Quantenebene entdeckten Physiker bereits in den 50er Jahren des 20. Jahrhunderts: In einem Wasserstoffatom, bestehend aus einem Proton und einem Elektron, sprang der Spin des Protons nur dann um, wenn der Spin der Elektrons eine Eins repräsentierte. Und auch Chuang gelang es, in seiner Chloroformbrühe die benachbarten Kohlenstoff- und Wasserstoffatome so zu beeinflussen, dass der Spin des Wasserstoffkerns nur dann umsprang, wenn der Kohlenstoffkern einen "Up"-Spin aufwies.

Das eigentlich Spannende aber folgt, wenn ein solches logisches Gatter auf Qubits im überlagerten Zustand angewendet wird. Dabei kalkuliert der Quantencomputer alle Ergebnisse dieser logischen Operationen gleichzeitig, statt nacheinander alle Möglichkeiten ausprobieren zu müssen. Gershenfeld und Chuang beschreiben diesen Prozess so: "Obwohl die Geschwindigkeit von nur wenigen Flips pro Sekunde im Gegensatz zur Megahertz-Taktrate der konventionellen Rechner langsam erscheinen mag, würde ein Quantencomputer mit genügend Qubits so massiv parallel arbeiten, dass er eine 400-stellige Zahl in rund einem Jahr faktorisieren könnte." - Die höchste Zahl, die mit den heutigen Supercomputern überhaupt faktorisiert werden kann, hat gerade einmal 140 Stellen...