Ionenfalle

Quantentechnologie

Die Quantenmechanik eröffnet neue, faszinierende Perspektiven für die Kommunikation und die Informationsverarbeitung. Die Verschränkung von Quantenteilchen spielt dabei eine zentrale Rolle.

Mit Hilfe verschränkter Photonen konnten fundamentale Fragen der Quantentheorie beantwortet werden. So hat man in Experimenten eindrucksvoll bestätigt, dass die Naturbeschreibung durch die Quantentheorie – wie vermutet – sowohl vollständig als auch nichtlokal ist, dass also Korrelationen oder Zusammenhänge zwischen Quantenteilchen über beliebig große Distanzen hinweg bestehen können.

Inzwischen versuchen Wissenschaftler die Verschränkung von Quantenteilchen, lange nur von philosophischem Interesse, auch für Anwendungen in der Quantentechnologie zu nutzen. Man hat bereits erfolgreich erste Experimente durchgeführt, bei denen mit Hilfe der Verschränkung Quantenzustände von einem Quantensystem auf ein anderes „teleportiert“ wurden. Der Trend geht dahin, immer komplexere verschränkte Systeme herzustellen. In Experimenten mit einzelnen Ionen in Atomfallen konnten bereits die Zustände von bis zu vier Quantenteilchen miteinander verschränkt werden.

Quanteninformation

Zweiteilige Infografik, obere Grafik: links Überschrift "Klassische Bits", darunter von oben nach unten 0 Pfeil auf 0, 1 Pfeil auf 1, Text "oder", 0 Pfeil auf 1, 1 Pfeil auf 0; rechts Überschrift "Quantenbits", darunter rechts eine rote und eine blaue Kugel mit hindurchgehenden Pfeilen nach unten bzw. nach oben, dazwischen Plus-Zeichen, rechts nach einmal die gleiche Anordnung zweimal übereinander, in der unteren Version die Pfeile vertauscht; untere Grafik: links oben mit A beschrifteter Kreis, mit "öffentlicher Kanal" beschrifteter Pfeil nach rechts auf mit B beschrifteten Kreis, unten Mitte mit "Quantenkanal" beschrifteter Kasten, von dem je ein Wellenzug auf die Kreise A und B führt; rechts unten ein mit E beschrifter Kreis, der stilisierte Kopfhörer trägt, vom rechten Wellenzug deutet ein Pfeil auf den Kreis E.
Bits und Quantenbits

Die Quantenmechanik eröffnet neue, faszinierende Perspektiven für die Kommunikation und die Informationsverarbeitung. Experimente, die als grundlegende Tests der Quantentheorie konzipiert waren, liefern jetzt die praktischen Bausteine für eine Quantentechnologie. Völlig neue Ansätze werden entwickelt, die die seltsamen Eigenheiten der Quantenwelt wie Nichtlokalität, Überlagerungsprinzip und Unschärferelation für neue Anwendungen nutzbar machen. Ein besonders interessantes Konzept ist dabei die Quanteninformationstheorie.

Die Quanteninformation wird in den Quantenzuständen eines physikalischen Systems gespeichert. Die Informationseinheit ist hierbei das Qubit. Ein Qubit kann beispielsweise durch die beiden unterschiedlichen Polarisationsrichtungen eines einzelnen Photons repräsentiert sein, aber auch durch zwei Quantenzustände eines Atoms oder eines Atomkerns. Ganz analog zum klassischen Fall kann man die logische Zuordnung zu den Bitwerten 0 und 1 vornehmen, zum Beispiel bei einem Photon: Polarisation vertikal = 0, Polarisation horizontal = 1.

Das grundlegend Neue im Fall des Quantensystems ist nun, dass das Qubit auch als eine kohärente Überlagerung aus den Quantenzuständen \(\vert0\rangle\) und \(\vert1\rangle\) vorliegen kann, also zum Beispiel als \(\vert1\rangle+\vert0\rangle\). Hier hat das Qubit gewissermaßen gleichzeitig den Wert „0“ und „1“. Gerade diese Möglichkeit der Überlagerung gibt Anlass zu vielen Paradoxien und Interpretationsproblemen der Quantenmechanik.

Quantencomputer

Ionenfalle

In einem Quantencomputer verwendet man als Input und Output eine Anzahl von Qubits, beispielsweise repräsentiert durch Quantenzustände in einzelnen Atomen. Rechenoperationen können dann als gezielte Eingriffe an einzelnen oder mehreren dieser Qubits durchgeführt werden, zum Beispiel indem man die Zustände von Atomen durch Laserlicht manipuliert. Das quantenmechanische Überlagerungsprinzip erlaubt nun als Input auch eine kohärente Überlagerung vieler Eingabezustände, die dann gewissermaßen alle gleichzeitig vorliegen.

Dieser Input liefert nach den Rechenoperationen als Output wiederum eine Überlagerung aller Ausgangszustände, die den jeweiligen Eingaben entsprechen. Im Prinzip könnte also ein Quantencomputer dazu benutzt werden, eine große Anzahl von Rechnungen parallel durchzuführen. Wenn ein herkömmlicher Computer 32 Bit verarbeitet, könnte ein Quantencomputer in derselben Zeit 232, also mehr als vier Milliarden Bit verarbeiten. Es wurden bereits spezielle Quantenalgorithmen vorgeschlagen, die gegenüber klassischen Methoden gewisse mathematische Probleme viel schneller lösen oder die Suche in großen Datenbanken extrem beschleunigen.

Leider ist es eine physikalische Eigenschaft von Quantenzuständen und insbesondere von quantenmechanischen Überlagerungen, extrem empfindlich auf jede Wechselwirkung mit ihrer Umgebung zu reagieren und so ihren Quantencharakter rasch einzubüßen. Wegen dieser Dekohärenzprozesse ist es sehr schwierig, einen Quantencomputer mit einer großen Anzahl von Qubits experimentell zu realisieren. In Experimenten an einzelnen Atomen, Ionen oder Atomkernen hat man indes bereits erste Grundbausteine eines Quantencomputers erfolgreich getestet, und man versucht nun immer größere, komplexere Systeme herzustellen.

Quantenkryptographie

Die Tatsache, dass Quantenobjekte so empfindlich auf jeglichen Einfluss von außen reagieren, macht sich die Quantenkryptographie zunutze. Es ist das Ziel der Quantenkryptographie, Nachrichten so zwischen einem Sender („Alice“) einem Empfänger („Bob“) zu übermitteln (zum Beispiel über Telefon, Funk oder das Internet), dass sie für einen Dritten („Eve“) nicht entzifferbar sind. Schickt Alice eine Nachricht zu Bob und kodiert sie diese Nachricht mit einem Schlüssel aus Zufallszahlen, den sie nur ein einziges Mal benutzt, so ist die Informationsübertragung hundertprozentig sicher.

Wie aber sollen Alice und Bob einen solchen Schlüssel austauschen, ohne dass Eve sie dabei belauschen kann? Dies gelingt, wenn Alice und Bob ihre Nachrichtenschlüssel in Qubits kodieren und über einen Quantenkanal austauschen. Jede Messung von Eve während dieses Informationsaustausches stört unweigerlich die Qubits so stark, dass Alice und Bob den Abhörversuch sofort bemerken. Im Experiment ist ein Austausch von Qubits über eine Distanz von mehr als zwanzig Kilometern erfolgreich durchgeführt worden.