Quantenrechnen ermöglicht schnelle Datenbanksuche
Physik-News vom 13.11.2017
Fotosammlungen oder Soziale Netzwerke sind Datensammlungen, in denen die Daten meistens nicht sortiert vorliegen. Die Suche nach einzelnen Elementen, also nach der Nadel im Daten-Heuhaufen, ist bei sehr großen Datenmengen für klassische Computer extrem aufwändig. Wissenschaftler am Karlsruher Institut für Technologie haben nun den Grover-Algorithmus – ein Verfahren zum schnellen Finden eines Suchelements in unsortierten Datenbanken – quantenmechanisch implementiert und erfolgreich ausgeführt.
Ein universeller Quantencomputer ist zwar noch eine Zukunftsvision. Spezielle Quantensysteme, die versprechen, eine bestimmte Aufgabe schneller als ein klassischer Computer lösen, spielen in der Wissenschaft bereits jetzt eine große Rolle. Ein konventioneller Computer muss, um ein bestimmtes Element in unsortierten Daten sicher zu finden, im ungünstigsten Fall alle Suchelemente nacheinander durchlaufen. Ein Quantensystem mit implementiertem Grover-Suchalgorithmus verringert die Suchzeit, da es zeitgleich auf alle Zustände innerhalb einer sogenannten Superposition angewendet werden kann.
Publikation:
C. Godfrin, A. Ferhat, R. Ballou, S. Klyatskaya, M. Ruben, W. Wernsdorfer, and F. Balestro
Operating Quantum States in Single Magnetic Molecules: Implementation of Grover’s Quantum Algorithm
Phys. Rev. Lett. 119, 187702
DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.187702
Forschergruppen um die Professoren Wolfgang Wernsdorfer und Mario Ruben am KIT ist nun gemeinsam mit Wissenschaftlern des Instituts Néel (Grenoble) genau dies gelungen: Die Wissenschaftler haben nun den Grover-Algorithmus auf einen molekularen Magneten angewandt und damit erfolgreich ein Quantensystem erschaffen, dessen Aufgabe das schnelle Auffinden von Suchelementen in unsortierten Daten ist.
In der aktuellen Forschung haben sie die Machbarkeit einer schnellen Suche für eine kleine Datenbank von vier Elementen exemplarisch belegt. „Allerdings“, so Ruben „kann diese Methode in jeglichen Quantensystemen mit vielen, nicht-äquidistanten Energieniveaus implementiert werden, was den Weg hin zu einem universellen Quantensuchalgorithmus eröffnet“.
Im aktuellen Fall wurde der Grover-Algorithmus in einen molekularen Magneten implementiert, der mit speziell designten Mikrowellen in eine Superposition gebracht wurde – ein Quanteneffekt, bei dem sich ein Teilchen zugleich in verschiedenen Zuständen befinden kann. Nach der Ausführung der Quantenoperationen las ein Einzelmolekültransistor die Suchergebnisse aus. Eine Animation verdeutlicht diesen Vorgang. (http://www.sek.kit.edu/downloads/Grover-quantum_algorithm_trail_short.mp4)
Wolfgang Wernsdorfer, der am Physikalischen Institut und am Institut für Nanotechnologie des KIT forscht, betont, dass diese Manipulation von Quantenzuständen zwar bei sehr tiefen Temperaturen, aber unter ausschließlicher Nutzung von elektrischen Feldern gelang. „Deshalb haben wir die Hoffnung, dass sich diese Technologie in aktuelle elektronische Geräte integrieren lässt“, so Wernsdorfer.
Der maßgeschneiderte Molekül-Transistor wurde in Mario Rubens Gruppen am Institut für Nanotechnologie und am Institut für Anorganische Chemie des KIT synthetisiert. Er besitzt in der Mitte ein Terbium-Atom, das über ein ausgeprägtes magnetisches Moment, einen Spin, verfügt. Umgeben ist das Terbium von organischen Molekülen, die es abschirmen und somit gegen äußere Einflüsse robust machen.
