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Quantencomputer sind vergesslich
Symmetriebruch sorgt für Informationsverlust

Quantencomputer gelten als die Rechner der Zukunft. Doch auch sie haben eine grundlegende Beschränkung, wie jetzt niederländische Physiker berichten: Sie verlieren schon nach kurzer Zeit spontan ihre Kohärenz und damit alle Information, die sie gespeichert haben.


Quantenlaserlabor © DOE

Ein Quantencomputer nutzt die Tatsache, dass sehr kleine Teilchen wie Elektronen, Atome oder sogar Moleküle in zwei verschiedenen Zuständen gleichzeitig existieren können, solange sie nicht von außen beeinflusst werden. Dies liegt daran, dass ihr Zustand nicht direkt messbar ist und diese so über Wahrscheinlichkeiten bestimmt sind. Diese so genannte Kohärenz bildet die Grundlage für die Speicherung von Informationen in einem Quantensystem

Normalerweise verschwindet die Kohärenz, sobald das System in Kontakt mit der Außenwelt gerät. Doch wie die Berechnungen der theoretischen Physiker Jasper van Wezel, Jeroen van den Brink und Jan Zaanen von der Universität von Leiden jetzt gezeigt haben, kann die Kohärenz – und damit auch die gespeicherte Information – im Laufe der Zeit auch spontan verloren gehen – für zukünftige Quantencomputer ein ernsthaftes Problem.

Ein Quantenbit besteht typischerweise aus einer größeren Anzahl von Teilchen. Unvermeidlich ist es da, dass diese auch entsprechend viele Möglichkeiten der Beeinflussung von außen und damit des Kohärenzverlustes bieten. Die Physiker haben nun getestet, ob sich die Kohärenz bei einem isolierten einzelnen Bit vielleicht länger und störungsfrei erhalten lässt und sind dabei zu einem überraschenden Ergebnis gekommen.

Sie entdeckten, dass auch unter kompletter Isolation die Kohärenz verloren gehen kann – ohne äußere Einwirkung. Nach Ansicht der Physiker hängt dies mit einem klassischen Prinzip der Physik zusammen, dem so genannten spontanen Symmetriebruch. Ein Beispiel dafür ist die spontane Kristallisation eines Salzes in Lösung: Sie beginnt damit, dass an irgendeiner Stelle der Lösung spontan ein Kristall entsteht und damit die chemisch-physikalische Struktur des flüssigen Zustands stört. Folge ist eine Kettenreaktion in deren verlauf auch alle anderen Moleküle der Lösung sich zu kristallen anordnen.

Nach Ansicht der Forscher könnte ein solcher spontaner Symmetriebruch bei Quantenbits schon nach ungefähr einer Sekunde auftreten und damit die Kohärenz – und alle Daten – verschwinden lassen. Und je kleiner das Qbit, desto schneller könnte dies geschehen. Bestätigen sich diese neuen Erkenntnisse auch in der experimentellen Forschung, könnten die Träume vom Quantencomputer einen harschen Rückschlag erleiden.

(NPO,NWO (Netherlands Organization for Scientific Research),12.07.2005)