|
|
|
|
| „Es leuchtet wie ein grüner Stern am dunklen Nachthimmel“, |
gefunden in: handelsblatt.com vom 23.2.2006
Theoretische Physik für die Praxis
Von R. Wengenmayr
„Es leuchtet wie ein grüner Stern am dunklen Nachthimmel“, schwärmt Rainer Blatt von dem Anblick eines Bariumatoms im Laserlicht. Der sonst eher nüchterne deutsch-österreichische Physiker ist Direktor am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) in Innsbruck.
DÜSSELDORF. Wissenschaftlich genau genommen, sind die zarten Leuchtpunkte keine vollständigen Atome, sondern Ionen. Der Verlust eines Elektrons hat sie elektrisch aufgeladen. Deshalb lassen sie sich wunderbar mit einem elektromagnetischen Feld einfangen und in einer „Ionenfalle“ in der Schwebe halten.
Physiker können immer komplexere Quantensysteme künstlich im Labor herstellen. Als Bausteine ihrer Quantenkompositionen bevorzugen sie Lichtquanten (Photonen), Ionen oder ultrakalte Atome. Sie können inzwischen diese Quantensysteme direkt manipulieren, als schraubten sie an einem Motor. Ihr Werkzeugkasten enthält Schraubenschlüssel aus Laserlicht und Zwingen aus elektrischen und magnetischen Feldern.
Das faszinierende Forschungsgebiet boomt wie kein anderes der Physik. Fähige Experimentatoren können mit kleinen, hochkomplexen Apparaturen auf physikalische Goldadern stoßen. Die dafür nötigen finanziellen Mittel sind winzig im Vergleich zu Großforschungsanlagen, etwa Teilchenbeschleunigern. Vor allem jedoch sorgt der Forschungsgegenstand selbst für Euphorie: Nie zuvor war die Quantenphysik dem Experiment so offen zugänglich wie heute. Viele Ideen, die als Gedankenexperimente jahrzehntelang ein rein theoretisches Dasein fristeten, sind jetzt im Labor realisierbar. Und siehe da: Die Natur auf Ebene der Atome, Elementarteilchen und ihrer Wechselwirkungen ist wirklich so „verrückt“, wie sie Erwin Schrödinger 1935 in seinem Gedankenexperiment beschrieb (siehe Kasten). „Wir lernen jeden Tag etwas Neues“, sagt Blatt. Im November 2005 konnte seine Gruppe im Magazin „Nature“ einen Weltrekord melden: Blatts Mitarbeiter Hartmut Häffner formte mit seinem Team das erste „Quantenbyte“ der Welt aus acht Calcium-Ionen. Damit überholten sie amerikanische Konkurrenten vom National Institute of Standards and Technology (NIST). Die Physiker aus Colorado hatten es „nur“ mit sechs Beryllium-Ionen geschafft.
Wie das Byte klassischer Computer besteht auch ein Quantenbyte aus acht Bit. Bei diesen handelt es sich allerdings um Quantenbits, im Szenejargon Qubit genannt. Ein Qubit kann entweder die Information eins oder null repräsentieren. Darin unterscheidet es sich nicht von einem konventionellen Bit. Im Qubit werden beide Zahlen durch zwei geeignete Quantenzustände kodiert. Bei Ionen sind das unterschiedliche Energieniveaus, zwischen denen ein Elektron hin und her springen kann. Laserlichtpulse steuern diese Sprünge.
Der entscheidende Unterschied zur digitalen Welt geht auf die Gesetze der Quantenphysik zurück. Ein klassisches Bit kann nur entweder auf null oder auf eins stehen. Im Qubit dagegen können diese beiden Zustände zugleich existieren. „Sie sind überlagert“, erklärt Blatt. Erst eine Messung zerstört diese Überlagerung und lässt das Qubit entweder auf eins oder auf null springen. Das passiert zum Beispiel, wenn ein Laserpuls am Ion rüttelt, um diese Information auszulesen.
Noch verhexter wird es, wenn die Physiker mehrere Qubits miteinander „verschränken“. Dabei entsteht ein ausgedehntes Quantenobjekt, zum Beispiel eben das Quantenbyte aus acht Ionen. Das verschränkte Quantenkollektiv ist hoch sensibel, schon die winzigste Manipulation an einem einzigen Qubit verändert es. Es erinnert an einen Ruder-Achter in voller Fahrt, bei dem ein Sportler gestört wird: Sofort gerät die gesamte Mannschaft aus dem Takt.
Besonders verrückt ist ein Phänomen, das unter Physikern immer wieder heiße Debatten auslöst: Die Qubits können beliebig weit voneinander entfernt sein, ohne ihre Verschränkung zu verlieren. Sie dürfen dabei nur nicht gestört werden. Diese „Delokalisierung“ ist Realität. Das konnte Blatts Kollege Anton Zeilinger in spektakulären Experimenten zeigen. Dabei trennten die Physiker über kilometerlange Glasfaserleitungen verschränkte Photonen, ohne dass diese ihre spukhafte Quantenverbindung verloren.
Die Delokalisierung sorgt auch für den fundamentalen Unterschied zwischen einem konventionellen und einem künftigen Quantencomputer. „In einem heutigen Rechner weiß das Bit Nummer eins nichts vom Bit Nummer zwei“, erklärt Blatt: „Bei einem Quantenbyte merkt dagegen sofort das gesamte System, wenn eine Rechenoperation ausgeführt wird.“ Dank der Überlagerung der Quantenzustände sollten Quantencomputer bestimmte Aufgaben viel schneller lösen können als heutige Rechner. Ein Quantenbyte kann zwar auch nur wie ein herkömmliches Byte 256 verschiedene Zahlen darstellen. „Nur liegen diese 256 Zahlen alle gleichzeitig vor“, sagt Blatt. Während ein heutiger Computer die Rechenschritte nacheinander abarbeiten muss, sind sie im Quantencomputer gleichzeitig vorhanden.
Vorteile bringt das vor allem, wenn ein Computer zur Lösung einer Aufgabe sehr viele Möglichkeiten prüfen muss. Soll er zum Beispiel in einem Telefonbuch zu einer Nummer den richtigen Namen heraussuchen, dann muss er im ungünstigsten Fall das komplette Buch durchsuchen. Bei vielen verschiedenen Suchanfragen läuft das im Schnitt auf die Hälfte der Einträge hinaus, bis er fündig wird. „Für eine Stadt wie München sind das also eine halbe Millionen Einträge“, sagt Blatt. Ein Quantencomputer bräuchte dafür nur tausend Versuche.
Wann Quantencomputer auf den Markt kommen, steht in den Sternen. Dass es sie geben wird, ist für Blatt aber keine Frage. Und er prophezeit: „Es werden technische Anwendungen entstehen, an die wir heute nicht im Entferntesten denken!“
Immerhin gibt es schon erste kommerzielle Quantenprodukte. Die Genfer Firma id Quantique bietet zum Beispiel einen Generator für Zufallszahlen an. Den Zufall beherrschen nämlich nur Quantensysteme perfekt. So verrät uns die Quantenphysik, dass Gott entgegen Albert Einsteins berühmter Behauptung offensichtlich doch das Würfeln liebt.
zurück
|
|
|
|
|
|
News
