Grenzen der Quantenwelt

Dass in der mikroskopischen Welt der Atome sonderbare Dinge passieren, ist allgemein bekannt. Dass unsere unmittelbare Umwelt anders funktioniert, wissen wir ebenso. Wo die genaue Trennlinie zwischen den beiden Welten verläuft, ist eine Frage, der in den letzten Jahren vermehrte Aufmerksamkeit gewidmet wurde.

Dieses Thema beschäftigt auch jene Forscher, die von Quantencomputern träumen. In der Theorie lassen sich die Sonderbarkeiten der Quantenwelt nutzen, um unschlagbar leistungsfähige Computer zu konstruieren. Ein Problem, mit dem die Forscher dabei kämpfen, ist die „Dekohärenz“. Damit ist das Zusammenbrechen der spezifischen quantenmechanischen Eigenschaften eines Systems gemeint – der „sonderbaren Dinge“ sozusagen, die dem Quantencomputer seine besondere Leistungsfähigkeit verleihen.

Ausgelöst wird Dekohärenz meist durch äußere Störeinflüsse. Während in den letzten Jahren die experimentellen Methoden immer mehr verfeinert wurden, um Dekohärenz zu verhindern, haben Innsbrucker Forscher um Julio Barreiro, in der Gruppe von Rainer Blatt, den Spieß nun umgedreht und den Effekt erstmals absichtlich erzeugt, um ihn genauer zu erforschen.

Zwischenzustände. Sie verwendeten dazu vier Ionen in einer Vakuumkammer, die sie zuerst so präparierten, dass sie einen quantenmechanisch verschränkten Zustand bildeten. (Solche Ionen sollen irgendwann in Quantencomputern das Rechnen übernehmen.) Danach störten sie die Ionen so, dass sich die Verschränkung nach und nach auflöste. Dabei beobachteten sie eine bunte Vielfalt von Effekten und Zwischenzuständen, die zum Teil theoretisch vorhergesagt wurden. „Dass es diese interessanten Zustände gibt, wusste man schon länger – experimentell hat man sie aber noch nicht gesehen“, erläutert Otfried Gühne vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) in Innsbruck.

Die Ergebnisse sind aus zwei Gründen für die Forscher interessant: Einerseits helfen sie, zu verstehen, welche Schritte verschränkte Systeme durchlaufen, wenn sich die Verschränkung auflöst. „Es hilft uns, Quantencomputer möglichst gut zu verstehen, um auf die Dekohärenz reagieren zu können“, erklärt Gühne.

Andererseits sind die „Zerfallsprodukte“ selbst interessant und auf anderem Weg gar nicht herzustellen. „Wir können Dekohärenz nutzen, um bestimmte Zustände zu erzeugen.“ Bei der „Programmierung“ von Quantencomputern könnte Dekohärenz damit als Werkzeug gezielt genutzt werden. Die Forschungen wurden vom Wissenschaftsfonds FWF der Europäischen Kommission – abgewickelt durch die Forschungsförderungsgesellschaft FFG – und der Tiroler Industrie gefördert und Anfang dieser Woche im Fachmagazin „Nature Physics“ publiziert.

Der Effekt der Verschränkung, mit dem die Forscher arbeiten, ist eine der erstaunlichsten Konsequenzen der Quantentheorie. Einsteins Weigerung, die Theorie in ihrer vollen Tragweite zu akzeptieren, sowie seine Gedankenexperimente über die „spukhafte Fernwirkung“ sind Legende. Zwei „verschränkte“ Objekte sind insofern verbunden, als dass die Beeinflussung des einen, etwa die Messung seines Zustands, auch unmittelbare Konsequenzen auf das andere hat. Dabei ist etwa egal, wie weit die beiden Objekte voneinander entfernt sind.

Ohne genauer auf die technischen Details eingehen zu müssen, ist damit klar, dass die Zahl der Zustände, in denen sich mehrere Objekte befinden können, in der Quantenwelt größer ist als in unserer Alltagswelt. Physiker sprechen über Letztere gerne von der „klassischen“ Welt, weil sie den Gesetzen der klassischen, vor-quantenmechanischen Physik gehorcht. In quantenmechanischen Bits lässt sich also deutlich mehr Information speichern als in den Bits eines klassischen Computers, die ja nur zwei Zustände – null und eins – annehmen können. Die Menge an Information steigt dabei mit der Menge der Bits so rasant, dass schon ein Quantencomputer mit ein paar Dutzend Bits jeden konventionellen Computer in den Schatten stellen würde. Dafür müssten aber mehr Ionen verschränkt werden, als bisher möglich ist. Die Forscher halten das für durchaus machbar.

Tieferes Verständnis. Veränderungen wird diese Technologie vor allem bei Verschlüsselungsalgorithmen bringen: Heutige Methoden könnten sich mit Quantencomputern schnell knacken lassen. Konsequenterweise erlaubt die Quantentheorie neue Verschlüsselungsmethoden, die absolut sicher sein sollen – zumindest so verlässlich wie die Gesetze der Physik.

Übrigens: Wenn Sie immer noch nicht verstehen, was genau „Verschränkung“ eigentlich ist, so sind Sie in guter Gesellschaft. Berühmten Physikern ging es ähnlich, und sie fanden verschiedene Wege, damit umzugehen. Der Pionier Richard Feynman beispielsweise meinte, niemand würde es verstehen. Das allgemeine „Teilverständnis“ genügt aber, um die mikroskopische Welt aufs Genaueste zu beschreiben und auch technologisch mehr und mehr in den Griff zu bekommen. Inzwischen ist unser Alltag voll mit technischen Anwendungen, die implizit die Quantentheorie nutzen und ohne sie nie entwickelt worden wären. Etwa die gesamte Halbleitertechnologie (Computer, Handys) oder alle Dinge, die mit Laser zu tun haben – bis hin zu DVD-Playern. Vielleicht können Grundlagenforschungen wie jene von Blatts Gruppe irgendwann das Verständnis dazu vertiefen. Neue technische Anwendungen wird es mit großer Sicherheit geben.

("Die Presse", Print-Ausgabe, 03.10.2010)