Optische und Quantencomputer: Die fünfte Generation

Gibt es Computer ohne Elektronik?

Ja, zumindest theoretisch. Denn »Elektronik« ist die Lehre vom Schalten und Rechnen mit Elektronen als Informationsträgern, und hierzu gibt es Alternativen. Allerdings sind diese bisher noch kaum über das Entwurfs- oder Entwicklungsstadium hinausgelangt. Die beiden vielversprechendsten Ansätze sind der optische Computer und der Quantencomputer. Ersterer arbeitet noch auf vergleichsweise herkömmliche Art: Sog. Lichtteilchen oder Photonen übernehmen hier die Aufgabe der Elektronen im Rechner.

Quantencomputer sind dagegen mit den Mitteln der klassischen Physik überhaupt nicht mehr zu verstehen, denn sie nutzen wesentlich Effekte der Quantentheorie, etwa die Tatsache, dass Quantenobjekte sich gleichzeitig an mehreren Orten aufhalten können oder an derselben Stelle viele unterschiedliche Zustände einnehmen können.

Welchen Vorteil bieten optische Rechner?

Optische Computer sollen eine wesentlich höhere Rechenleistung ermöglichen als die heute üblichen Computer mit elektronischen Bauteilen. Theoretisch ist eine 1000- bis 10 000-mal höhere Rechengeschwindigkeit möglich.

Während in der Praxis noch keine durchgängig mit Photonen arbeitenden Computer realisiert wurden, hat die Optoelektronik, also die Nutzung sowohl von Elektronen als auch von Photonen im selben System, schon große Erfolge feiern können. So sind optische Speicherplatten wie CD und DVD heute in fast jedem Haushalt zu finden, moderne Audio-Video-Heimanlagen verfügen bereits über Anschlüsse zur rein optischen Datenübertragung. Auch Glasfaser-Fernleitungen, wie sie in der Telekommunikation benötigt werden, arbeiten optisch. Weniger weit ist man dagegen mit optischen Schaltelementen, also der Beeinflussung von Lichtsignalen durch Licht, ähnlich wie im Grundbaustein der Mikroelektronik, dem Transistor.

Wie arbeiten Glasfasern?

Glasfasern übertragen das Licht von Laserdioden, in welchem die Abfolge von Nullen und Einsen einer Datei durch Hell-Dunkel-Signale widergegeben wird. Obwohl die Fasern aus dem brüchigen Glas bestehen, sind sie flexibel und lassen zudem das Licht nur am Anfang und am Ende ein- bzw. austreten. Möglich wird dies zum einen durch einen vielschichtigen Aufbau und zum anderen dadurch, dass sich ihre optischen Eigenschaften von innen nach außen ändern, wodurch das Licht immer zur Fasermitte hin reflektiert bzw. gebrochen wird.

Die Datenübertragung mit Licht birgt Vorteile gegenüber der elektrischen Übertragung in Kupferkabeln: geringeres Gewicht pro verlegtem Kilometer, geringere Störanfälligkeit und vor allem eine deutlich höhere Übertragungsgeschwindigkeit. Probleme gibt es allerdings, wenn Datenströme aufgeteilt und an verschiedene Adressen weitergeleitet werden müssen. Die nötigen Schaltvorgänge können derzeit nur mit elektronischen Bauteilen durchgeführt werden. Und diese sind nicht nur langsamer, sondern verbrauchen zusätzlich Zeit durch die Umwandlung von optischen in elektronische Signale und zurück. Abhilfe schaffen sollen in Zukunft rein optische Schalter, die z. B. mikrometergroße Spiegel oder sog. nichtlineare optische Materialeigenschaften ausnutzen.

Was ist das Besondere an Quantencomputern?

Sie rechnen nicht nur mit Nullen und Einsen – wie normale Computer –, sondern nutzen auch Quantenzustände von Atomen oder Elektronen aus. Analog zu den Bits klassischer Rechner ist die Grundeinheit beim Quantencomputer das Quanten-Bit oder kurz Qubit. In einem Qubit überlagern sich die Zustände »Null« und »Eins«, und diese Überlagerung bleibt solange erhalten, bis jemand »hinsieht«. Mit »Hinsehen« kann z. B. das Auslesen eines Qubits, also seine »Messung« gemeint sein. Dadurch wird die Überlagerung aufgehoben, das System »entscheidet« sich eindeutig für einen der beiden Zustände.