30.08.2002, 10:39 Uhr

Quantenhopser statt Sprünge

Mühsam ernährt sich das Eichhörnchen. Dies gilt auch für Quantencomputerbauer. Denn bislang konnten erst Teilaspekte eines künftigen Superrechners realisiert werden.
In gut zehn Jahren ist es so weit: Dann dürften Computerchips nicht mehr weiter verkleinert werden können. Denn nach dem Gesetz von Intel-Gründervater Gordon Moore verdoppelt sich die Anzahl Transistoren auf einem Chip alle 18 bis 24 Monate. Es wird also eng. So eng, dass quantenmechanische Effekte den Lauf der Elektronen auf den Siliziumhirnen beeinträchtigen werden. Für die Chipbauer gibt es daher zwei Möglichkeiten. Entweder sie finden Lösungen, um mit den Störeffekten umzugehen. Oder aber sie nützen sie, um zu rechnen, und bauen den Quantencomputer. An Letzterem werkeln derzeit hunderte von Grundlagenforschern weltweit und produzieren immer wieder Schlagzeilen: Teleportation in Australien, Quantenverschlüsselung in Genf, Verfestigung der Quantenflüssigkeit in München, Beamen in Wien. Doch die 'Durchbrüche' in den Wissenschaftsgazetten sind jeweils kleine Schritte auf dem Weg zum Quantencomputer. Ob es den je geben wird, bleibt nach Meinung von Skeptikern fraglich. Denn eines der grössten Probleme bei der Quantenrechnerei ist die Störungsanfälligkeit. Die meisten Experimente laufen bei Temperaturen von wenigen Millionstel oder Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt ab (-273,15 Grad Celsius) und sind hermetisch von der Umwelt getrennt. Denn jede Störung führt zu Informationsverlust bei den Quantenbits, kurz Qubits genannt.

Schrödingers Katze

Quanten verhalten sich - zumindest für Otto Normalphysiker - äusserst skurril. Es handelt sich dabei um einen 'Umsturz des gewöhnlichen Denkens', wie es Anton Zeilinger, Quantenphysiker an der Universität Wien, ausdrückt. Nehmen wir die bereits erwähnten Qubits. Sie können nicht nur binäre Informationen beherbergen, also Eins oder Null, sondern auch beides zugleich. So kann etwa ein Photon (Lichtteilchen) verschiedene Schwingungsrichtungen (Polarisationen) aufweisen, die nach den Gesetzen der Logik mit Eins oder Null kodiert werden können. In der Quantenmechanik können die Lichtquanten aber auch in einem Zwischenzustand zwischen mehreren Zuständen sein. Diese Superposition hat Erwin Schrödinger, der zusammen mit Albert Einstein in den 1930er-Jahren die Grundlagen der Quantenmechanik erarbeitete, anhand des Gedankenexperiments 'Schrödingers Katze' veranschaulicht. Ein Atom, ein Messgerät, ein Hammer, eine Giftflasche und eine Katze befinden sich in einer verschlossenen Kiste. Wenn das Atom zerfällt, nimmt dies das Messgerät wahr und bewegt den Hammer. Dieser zerschlägt die Giftflasche und die frei werdende Substanz tötet die Katze. Solange die Kiste allerdings zu ist, weiss der Betrachter nicht, ob die Katze tot ist oder nicht. Wird die Kiste geöffnet, weiss man, ob das Tier noch lebt. Doch mit der Gewissheit wird auch der Schwebezustand der Superposition aufgehoben. Ähnliches passiert auch mit der Superposition eines Photons. Wird sie gemessen, wird der Zustand zerstört. Eine weitere Eigenschaft von Quanten, die mit gängiger Feld-Wald-und-Wiesen-Logik nicht zu begreifen ist, ist die Verschränkung (Entanglement) zweier Lichtteilchen. Und zwar wird das Phänomen beobachtet, dass wenn der Quantenzustand des einen geändert wird, sich auch derjenige des zweiten verändert. Dabei kommt es nicht darauf an, wie weit die beiden Teilchen voneinander entfernt sind. Diese 'spukhafte Fernwirkung', wie Einstein es nannte, lässt sich bei der Übertragung von Informationen einsetzen.

Das Skurrile nutzbar machen

Die etwas bizarren Eigenarten der Quantenphysik lassen sich für die Rechnerei durchaus nutzbar machen. Gerade die Tatsache, dass ein Qubit mehr als zwei Zustände aufweist, ist dabei von Vorteil. Vereint man mehrere Quantenbits, so steigt deren Zustandskombinationen exponentiell. Ein Rechner mit wenigen hundert Qubits könnte also bereits mehr Zahlen repräsentieren, als es Atome im Universum gibt. Zumindest was und wie mit einem solchen noch zu bauenden Quantencomputer gerechnet werden soll, ist bereits bekannt. Diverse Algorithmen wurden geschrieben. Einer davon dürfte das Abfragen von Datenbanken beschleunigen helfen. Nach dem Suchalgorithmus von Bell-Labs-Forscher Lov Grover findet eine Quantenrechenmaschine den gesuchten Eintrag in einer unsortierten Liste durchschnittlich nach der Quadratwurzel der Summe der Einträge. Auch dies hat mit dem exponentiellen Informationscharakter der Qubits zu tun. Aus einem Telefonbuch mit einer Million Einträgen findet also die Quantensuchmaschine die richtige Adresse nach durchschnittlich tausend Versuchen. Bei herkömmlichen Suchverfahren muss die Maschine durchschnittlich 500 000 Mal nachschlagen. Ähnlich effizient ist ein Quantenrechner bei der Faktorisierung, also beim Zerlegen einer Zahl in Primzahlen. Es ist relativ einfach, zwei Primzahlen miteinander zu multiplizieren. Viel schwieriger, respektive es gelingt nur durch 'Pröbeln', ist es dagegen, das Ergebnis wieder in die Primzahlen zu zerlegen. Selbst ein schnellrechnender Computer braucht, um eine 100-stellige Zahl zu faktorieren, Millionen von Jahren. Diesen Effekt haben sich die Kryptografen wie etwa die Erfinder des RSA-Schlüssels Ron Rivest, Adi Shamir und Leonard Adleman zu Nutze gemacht. Ein Quantencomputer, weil er mehrere Berechnungen gleichzeitig durchführen kann, also sich wie ein riesiger massiv-paralleler Rechner verhält, könnte den derzeit 128 Bit mächtigen Schlüssel im Nu knacken.

Kryptografie doch möglich

Während der Quantencomputer klassische Kryptografie unbrauchbar macht, gibt es doch Verfahren, um auch mit Hilfe der Quantenmechanik Texte zu verschlüsseln. Konkret bietet sie vor allem die Möglichkeit, einen Schlüssel sicher zu übertragen. Wegen der Superposition von Photonen und deren Vernichtung, wenn sie gemessen wird (Dekohärenz), merkt der Empfänger des Schlüssels sofort, ob jemand versucht hat, den Schlüssel auf dem Weg vom Empfänger zum Sender abzufangen. Jeder Lauschangriff ist daher zum Scheitern verurteilt. Die Quantenverschlüsselung wurde sogar bereits erfolgreich getestet. Und dieses Jahr hat das Genfer Start-up ID Quantique ein erstes kommerzielles Produkt in diesem Bereich vorgestellt. Eine weitere Möglichkeit, die vor allem die Fantasie von Startrek-Fans anzuregen vermag, ist die grundsätzliche Möglichkeit, Quantenzustände wegen ihrer Verschränkung zu teleportieren. Bislang war diese Form der Übermittlung, die am ehesten mit Faxen verglichen werden kann, mit dem Unterschied, dass beim Beamen das Orginal nicht mehr da ist, nur über recht kurze Distanzen möglich. Der Grund ist die hohe Störanfälligkeit der Polarisation der Quanten. Seit gut einem Jahr hat allerdings Zeilinger die räumliche Beschränkung durchbrochen. Er hat ein Reinigungsverfahren der 'Leitung', über die die Quantenzustände übertragen werden, vorgestellt, und dies mit herkömmlichen Mitteln. Alles, was es dazu braucht, ist ein 'Polarising Beam Splitter' genanntes Gerät. Dabei handelt es sich um eine Art Spiegel, mit dem eintreffende Photonen anhand ihrer Polarisation umgeleitet werden können. Abgeschwächt verschränkte Zustände können so verstärkt werden. Die Lichtquanten bleiben über lange Distanzen verschränkt. Zudem haben Forscher vor kurzem an der holländischen Universität Leiden gezeigt, dass das Entanglement stärker ist als bislang angenommen. Eine Gruppe um Erwin Altewischer liess nämlich in einer Versuchsanordnung die Photonen auf eine Goldschicht prallen. Diese wies 200 Nanometer grosse Löcher auf. Das ist zu klein, als dass sich die Photonen selbst durchzwängen könnten. Allerdings erzeugen sie beim Aufprall Plasmon genannte Elektronenwellen, die durch die Löcher schlüpfen. Diese senden auf der anderen Seite angelangt wieder Photonen aus. Messungen zeigten sodann, dass diese Photonen nach wie vor verschränkt waren.

Gefangen in der Quantenpfütze

Alle genannten Verfahren zeigen allerdings, dass der menschliche Einfluss auf das Verhalten der Quanten sehr gering ist. Wir wollen aber kontrollieren, was da im Nanobereich abgeht. Erst dann lassen sich auch Rechner bauen. Einen ersten Schritt auf diesem Weg haben Wissenschaftler aus München gezeigt. Sie haben die Quanten in spezielle Aggregatzustände gebracht und damit eine Art Quantenschalter entwickelt. Neben flüssig, fest und gasförmig gibt es weitere Aggregatzustände. So etwa den Plasma genannten Zustand, der bei sehr hohen Temperaturen entsteht und bei dem Atomkern und Elektronen auseinander gerissen werden. Für die Quantencomputerbauer sind allerdings zwei weitere Zustände der Materie von Interesse. Bei sehr tiefen Temperaturen können Quanten als Bose-Einstein-Kondensat und als Mott-Isolator auftreten. Während ersteres einer Flüssigkeit gleicht, kann letzterer mit einem Kristall verglichen werden. Um das Bose-Einstein-Kondensat, benannt nach dem zungezeigenden Physiker und dem indischen Forscher Satyendra Bose, zu erhalten, haben die Münchner Forscher Immanuel Bloch und Theodor Hänsch zusammen mit dem ETH-Wissenschaftler Tilmann Esslinger hunderttausende Rubidiumatome auf eine Temperatur von einem Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt gekühlt. Starr vor Kälte verlieren Atome ihren Teilchencharakter und werden zu einer Schmelze von Atomwellen. Diese Quantenpfütze oder Supraflüssigkeit wird nun mit Laserlicht aus verschiedenen Richtungen durchleuchtet. Die Rubidiumwellen schaukeln sich in der Folge gegenseitig auf oder heben sich auf. Dadurch sieht das Kondensat bald wie ein Kristallgitter aus. Bei einer gewissen Intensität des Laserlichts, so die Forscher, werden die Rubidiumwellen dann in diesem Lichtgitter gefesselt. Sie bleiben also stehen und erstarren. Der so erlangte Zustand nennt sich Mott-Isolator. Durch diese Aktion hätten sie sozusagen einen Schalter gefunden, mit dem zwischen zwei Zuständen der Materie hin- und hergeschalten werden könne, frohlockt Bloch. Bis allerdings auch dieser 'Schalter' zum Baustein eines Quantencomputers werden kann, dürfte es noch eine Weile dauern. Man denke nur daran, wie aufwändig es ist, ein Milliardstel Grad Kelvin in einer massentauglichen Rechenmaschine zu erzeugen. Es bedarf somit noch einiges an Grundlagenforschung, bis Supraflüssigkeiten und -leiter gefunden werden, die auch bei Zimmertemperatur ihre phänomenalen Eigenschaften beibehalten.

Quantenkryptografie aus Genf: ID Quantique

Zwei unscheinbare Kästchen, verbunden mit einem Glasfaserkabel, sollen sie bringen, die absolut sichere Verschlüsselung. Sie soll so sicher sein, dass das Start-up ID Quantique, ein Spin-off der Universität Genf, bereits Besuch vom US-Geheimdienst NSA (National Security Agency), der Spezialistin in Sachen Kryptologie, erhalten hat. Was das Genfer Kryptosystem, das unter der Bezeichnung Quantum Random Number Generator (QRNG) segelt, so abhörsicher macht, ist die Verwendung von Quantenzuständen als Übertragungsweg für den Schlüssel. Quanten weisen verschiedene Schwingungsrichtungen auf. Diese Polarisationen bleiben so lange bestehen, bis sie gemessen werden. Dieses Phänomen lässt sich dazu nutzen, um einen Abhörversuch zu vereiteln. Da die Polarisation auch dann verändert wird, wenn ein Dritter sie zwecks Lauschangriff misst, merkt dies der Empfänger sofort und kann den Sender anweisen, einen neuen Schlüssel zu übermitteln. Das Prinzip war bereits von IBM-Forscher Charles Bennett 1984 gezeigt worden. Allerdings ist es den Schweizern als Ersten gelungen, ein markttaugliches Produkt zu bauen. Der Clou: Bislang mussten für die Geräte, mit denen die Lichtquanten (Photonen) gemessen werden, riesige Kühlsysteme bereitgestellt werden. In ihren Kästchen haben sich die ID-Quantique-Leute den Peltier-Effekt zu Nutze gemacht. Dieser besagt, dass an der Nahtstelle von zwei Metallteilen Hitze aufgenommen werden kann, wenn durch diese Strom geschickt wird. Trotz der auf PC-Grösse geschrumpften Verschlüsselungskästchen ist das System der Genfer nicht gerade etwas für die breite Masse: Es geht nämlich für 100 000 Euro über den Ladentisch. ID-Quantique-Mitgründer Gr?goire Ribordy denkt daher vor allem an Banken, Versicherungen, Pharmakonzerne und sonstige Grossunternehmen sowie ans Militär als potenzielle Abnehmer für den QRNG. Lange werden die Genfer allerdings nicht alleine sein. Denn es hat sich bereits Konkurrenz für ID Quantique angekündigt. Die US-Firma Magiq Technologies will Anfang 2003 ein vergleichbares Gerät auf den Markt werfen.


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