Karlsruher Institut für Technologie - 13.11.2017
Quantenrechnen ermöglicht schnelle Datenbanksuche
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. Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten sie nun in den Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.187702
Der Terbium-Einzelmolekültransistor liest nach der Ausführung des
Grover-Quantenalgorithmus unsortierte Datenbanken aus.
Grafik: © KIT/Institut Néel
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.
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.
Operating Quantum States in Single Magnetic Molecules: Implementation of
Grover's Quantum Algorithm,
C. Godfrin, A. Ferhat, R. Ballou, S. Klyatskaya, M. Ruben, W. Wernsdorfer,
and F. Balestro,
Phys. Rev. Lett. 119, 187702
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.187702
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Weitere Informationen unter:
http://www.sek.kit.edu/presse.php
http://simon.scheuerle@kit.edu
http://www.sek.kit.edu/downloads/Grover-quantum_algorithm_trail_short.mp4
Kontaktdaten zum Absender der Pressemitteilung unter:
http://idw-online.de/de/institution1173
*
Quelle:
Informationsdienst Wissenschaft e. V. - idw - Pressemitteilung
Karlsruher Institut für Technologie, Monika Landgraf, 13.11.2017
WWW: http://idw-online.de
E-Mail: service@idw-online.de
veröffentlicht im Schattenblick zum 15. November 2017
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