Angewandte Quantenphysik: Der Blick ins laufende Durcheinander
Wenn zwei oder mehr Teilchen denken, sie wären nur eines, dann nennen Wissenschaftler dies "Verschränkung", und interessierte Nicht-Quantenphysiker gruselt es ein wenig. Ganz ohne Frage ist Verschränkung ein cooler Effekt. Doch kann man damit auch irgend etwas anfangen? Man kann. Vor allem bei ebenso coolen Anwendungen.
Erinnern Sie sich noch an die erste Generation von Pentium-Prozessoren? Die im Windows-Taschenrechner als Ergebnis für "1+1" ein leicht ungenaues "1,99999999" lieferte? Nun ja, auch Computer können sich eben irren, und der Fehler im IC-Schaltkreis ist längst behoben. Was bleibt, ist eine Anekdote und die Gewissheit, dass selbst eingefleischten Rechenmaschinen mitunter ein kleiner Flopp passiert. Wohl dem, der stets im Kopf nachprüft, ob das Hightech-Ergebnis denn so stimmen kann. Aber was tun, wenn die Kontrolle praktisch unmöglich ist?
Vor diesem Dilemma könnten zum Beispiel die Entwickler zukünftiger Quantencomputer stehen. Im Gegensatz zu konventionellen PCs und Großrechnern vollziehen sie ihre Aufgaben nicht mehr brav Schritt für Schritt, sondern versuchen, alles auf einmal zu machen. Was in der klassischen Physik unmöglich ist, gehört in der Quantenwelt tatsächlich zur Wirklichkeit. So hat ein isoliertes Teilchen beispielsweise nicht etwa einen Spin nach oben oder nach unten, sondern in beide Richtungen gleichzeitig. Solange, bis jemand diese Größe misst – dann kollabiert das System in einen der beiden Zustände, und es gibt ein "vernünftiges" Ergebnis. Im Prinzip ließe sich aus einer Vielzahl geschickt angeordneter und eingestellter Teilchen ein Computer aufbauen, der beliebig viele Versionen eines Problems gleichzeitig durchrechnen kann. Geeignete Aufgaben wären das Dechiffrieren von Texten, die Simulation von Proteinstrukturen oder das optimale Auflösen von Schachstellungen. Wo immer tausendfach das gleiche mit geringen Abwandlungen auszuprobieren ist, wären Quantencomputer ein ideales Werkzeug. Allerdings gibt es sie – von primitiven Prototypen abgesehen – noch nicht, und keiner weiß, wie sie zu programmieren wären oder wie man ihre Ergebnisse am besten auslesen sollte und – wie man eine Fehlerkontrolle durchführen kann.
Zumindest beim letzten Problem können Wissenschaftler nun einen Fortschritt vermelden. Der Experimentalphysiker Christian Roos von der Universität Innsbruck und seine Kollegen haben dazu ein weiteres exotisches Phänomen aus dem Reich der Quanten genutzt: die Verschränkung von Teilchen. Unter bestimmten Bedingungen wechselwirken zwei oder mehr Teilchen so sehr, dass sich ihre Schicksale miteinander verknüpfen und selbst dann verbunden bleiben, wenn sie in weit entfernte Ecken des Universums gebracht würden. Sobald einem Partner etwas zustößt, "wissen" die anderen sofort davon und reagieren entsprechend. Verschränken Wissenschaftler zum Beispiel Teilchen so, dass sie gemeinsam einen Spin nach oben und einen nach unten besitzen, so wird bei einer Messung am einen Teilchen (die etwa den Spin nach oben ergibt), das andere automatisch den anderen Zustand (Spin nach unten) einnehmen. Über Verschränkung kommunizieren die Teilchen eines hypothetischen Quantencomputers miteinander, woraus die Schwierigkeiten entstehen, will man zur Fehlerkontrolle einen Zwischenstatus der Berechnungen ablesen. Denn jede Messung wirkt sich ja auf alle mitverschränkten Teilchen aus und beeinflusst den Gesamtprozess.
Um diese Abläufe genauer zu verstehen, schufen die österreichischen Forscher ein Testsystem aus drei Kalzium-Ionen, die sie in einer Teilchenfalle isolierten und miteinander verschränkten. Als Messgröße wählte das Team den Spin, der sich über Laserpulse experimentell beeinflussen und vermessen lässt. Mit einem speziell abgestimmten Puls versetzten die Wissenschaftler in ihren Experimenten zwei der drei Ionen in eine Art schützenden Dunkelzustand, in welchem das Messlicht sie nicht treffen konnte. Es stellte sich heraus, dass bei der Vermessung des einen ungeschützten Ions die anderen beiden entweder in definierte Zustände kollabierten, wie es zu erwarten war. Oder sie blieben im verschränkten und damit unbestimmten Zustand, mit dem Unterschied, dass nun nur noch zwei Ionen dazugehörten. Entscheidend für den Ausgang der Messung war der Startzustand des verschränkten Dreiers.
Mit anderen Worten: Im Prinzip kann man tatsächlich mal eben in einen laufenden Quantencomputer hineinschauen und seine Arbeit kontrollieren. Dafür muss nur ein Teilchen quantenmechanisch so isoliert werden, dass es gewissermaßen nicht mehr zum Kollektiv gehört. Ob der Traum vom Quantencomputer damit seiner Verwirklichung näher gekommen ist, bleibt abzuwarten. Bis dahin werden wir wohl den Pentium und seine Konkurrenten vertrauen müssen.
Vor diesem Dilemma könnten zum Beispiel die Entwickler zukünftiger Quantencomputer stehen. Im Gegensatz zu konventionellen PCs und Großrechnern vollziehen sie ihre Aufgaben nicht mehr brav Schritt für Schritt, sondern versuchen, alles auf einmal zu machen. Was in der klassischen Physik unmöglich ist, gehört in der Quantenwelt tatsächlich zur Wirklichkeit. So hat ein isoliertes Teilchen beispielsweise nicht etwa einen Spin nach oben oder nach unten, sondern in beide Richtungen gleichzeitig. Solange, bis jemand diese Größe misst – dann kollabiert das System in einen der beiden Zustände, und es gibt ein "vernünftiges" Ergebnis. Im Prinzip ließe sich aus einer Vielzahl geschickt angeordneter und eingestellter Teilchen ein Computer aufbauen, der beliebig viele Versionen eines Problems gleichzeitig durchrechnen kann. Geeignete Aufgaben wären das Dechiffrieren von Texten, die Simulation von Proteinstrukturen oder das optimale Auflösen von Schachstellungen. Wo immer tausendfach das gleiche mit geringen Abwandlungen auszuprobieren ist, wären Quantencomputer ein ideales Werkzeug. Allerdings gibt es sie – von primitiven Prototypen abgesehen – noch nicht, und keiner weiß, wie sie zu programmieren wären oder wie man ihre Ergebnisse am besten auslesen sollte und – wie man eine Fehlerkontrolle durchführen kann.
Zumindest beim letzten Problem können Wissenschaftler nun einen Fortschritt vermelden. Der Experimentalphysiker Christian Roos von der Universität Innsbruck und seine Kollegen haben dazu ein weiteres exotisches Phänomen aus dem Reich der Quanten genutzt: die Verschränkung von Teilchen. Unter bestimmten Bedingungen wechselwirken zwei oder mehr Teilchen so sehr, dass sich ihre Schicksale miteinander verknüpfen und selbst dann verbunden bleiben, wenn sie in weit entfernte Ecken des Universums gebracht würden. Sobald einem Partner etwas zustößt, "wissen" die anderen sofort davon und reagieren entsprechend. Verschränken Wissenschaftler zum Beispiel Teilchen so, dass sie gemeinsam einen Spin nach oben und einen nach unten besitzen, so wird bei einer Messung am einen Teilchen (die etwa den Spin nach oben ergibt), das andere automatisch den anderen Zustand (Spin nach unten) einnehmen. Über Verschränkung kommunizieren die Teilchen eines hypothetischen Quantencomputers miteinander, woraus die Schwierigkeiten entstehen, will man zur Fehlerkontrolle einen Zwischenstatus der Berechnungen ablesen. Denn jede Messung wirkt sich ja auf alle mitverschränkten Teilchen aus und beeinflusst den Gesamtprozess.
Um diese Abläufe genauer zu verstehen, schufen die österreichischen Forscher ein Testsystem aus drei Kalzium-Ionen, die sie in einer Teilchenfalle isolierten und miteinander verschränkten. Als Messgröße wählte das Team den Spin, der sich über Laserpulse experimentell beeinflussen und vermessen lässt. Mit einem speziell abgestimmten Puls versetzten die Wissenschaftler in ihren Experimenten zwei der drei Ionen in eine Art schützenden Dunkelzustand, in welchem das Messlicht sie nicht treffen konnte. Es stellte sich heraus, dass bei der Vermessung des einen ungeschützten Ions die anderen beiden entweder in definierte Zustände kollabierten, wie es zu erwarten war. Oder sie blieben im verschränkten und damit unbestimmten Zustand, mit dem Unterschied, dass nun nur noch zwei Ionen dazugehörten. Entscheidend für den Ausgang der Messung war der Startzustand des verschränkten Dreiers.
Mit anderen Worten: Im Prinzip kann man tatsächlich mal eben in einen laufenden Quantencomputer hineinschauen und seine Arbeit kontrollieren. Dafür muss nur ein Teilchen quantenmechanisch so isoliert werden, dass es gewissermaßen nicht mehr zum Kollektiv gehört. Ob der Traum vom Quantencomputer damit seiner Verwirklichung näher gekommen ist, bleibt abzuwarten. Bis dahin werden wir wohl den Pentium und seine Konkurrenten vertrauen müssen.
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