scinexx.de - Das Wissensmagazin

Transkript

1

2 01 Über uns scinexx.de - Das Wissensmagazin scinexx - sprich ['saineks], eine Kombination aus science und next generation - bietet als Onlinemagazin seit 1998 einen umfassenden Einblick in die Welt des Wissens und der Wissenschaft. Mit einem breiten Mix aus News, Trends, Ergebnissen und Entwicklungen präsentiert scinexx.de anschaulich Informationen aus Forschung und Wissenschaft. Die Schwerpunktthemen liegen in den Bereichen Geowissenschaften, Biologie und Biotechnologie, Medizin, Astronomie, Physik, Technik sowie Energie- und Umweltforschung. Das Internetmagazin spricht alle wissbegierigen User an - ob in Beruf, Studium oder Freizeit. scinexx wurde 1998 als Gemeinschaftsprojekt der MMCD NEW MEDIA GmbH in Düsseldorf und des Heidelberger Springer Verlags gegründet und ist heute Teil der Konradin Mediengruppe mit dem bekannten Magazin Bild der Wissenschaft sowie den Wissensangeboten: wissen.de, wissenschaft.de, scienceblogs.de, natur.de und damals.de.

3 02 Inhalt ÜBER UNS INHALT 03 QUANTENCOMPUTER Rechnen mit den kleinsten Teilchen 04 IMPRESSUM

4 03 Quantencomputer Rechnen mit den kleinsten Teilchen VON NADJA PODBREGAR Quantencomputer gelten als die Rechner der Zukunft. Doch die Eigenheiten des Quantenreichs bringen eine ganze Reihe von Problemen mit sich, die erst noch überwunden werden müssen. Die Entwicklung steht erst am Anfang.

5 BESUCH BEI SCHRÖDINGERS KATZE DComputern: Es dient als kleinstmögliche Speichereinheit und definiert ie Sache mit den Überlagerungen Quantencomputer rechnen nicht mehr mit Transistoren, sondern mit Quantenbits, kurz Qubits. Das Quantenbit oder Qubit ist das Analog zum klassischen Bit bei herkömmlichen gleichzeitig ein Maß für die Information. Konkret kann es aus Atomen, Elektronen, Molekülen oder Photonen bestehen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Bits können Qubits nicht nur zwei Zustände annehmen, sondern auch beide Zustände quantenphysikalisch überlagern. Zwischen zwei Zuständen Veranschaulichen lässt sich dies mit dem berühmten Gedankenexperiment des Physikers Erwin Schrödinger: Er beschreibt es im November 1935 in einem Artikel in der Zeitschrift

6 Naturwissenschaften folgendermaßen: Eine Katze wird in eine Stahlkammer gesperrt, zusammen mit folgender Höllenmaschine (die man gegen den direkten Zugriff der Katze sichern muss): In einem Geigerschen Zählrohr befindet sich eine winzige Menge radioaktiver Substanz, so wenig, dass im Laufe einer Stunde vielleicht eines von den Atomen zerfällt, ebenso wahrscheinlich aber auch keines. Geschieht es, so spricht das Zählrohr an und betätigt über ein Relais ein Hämmerchen, das ein Kölbchen mit Blausäure Schrödingers Gedankenexperiment Sloyment / CC 1.0 zertrümmert. Das ganze System wird eine Stunde unbeobachtet sich selbst überlassen. Während dieser Zeit ist der Zustand des Atoms in einer Überlagerung: zerfallen oder nicht zerfallen. Denn solange wir nicht nachgeschaut haben, können wir die Wahrscheinlichkeit, dass das Atom zerfallen ist, nur schätzen. Entsprechend wäre die Katze in der Kammer theoretisch betrachtet ebenfalls in einem Überlagerungszustand zwischen lebendig und tot. Sobald wir jedoch die Kammer öffnen und nachschauen, enden alle Überlagerungen. Denn an Stelle der Wahrscheinlichkeiten treten jetzt konkrete Beobachtungen oder Messungen. Atom oder Molekül? Beides! 2007 ist es Forschern des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik nun erstmals gelungen, einen solchen Überlagerungszustand aus Atom und Molekül in reiner Form zu beobachten. In den Experimenten konnten sich Paare aus je zwei Rubidiumatomen nicht entscheiden, ob sie miteinander eine Molekülbindung eingehen oder im atomaren Zustand verharren sollten. Stattdessen schwangen Pärchen zwischen

7 beiden Zuständen hin und her und nahmen dazwischen einen Zustand ein, in dem sie beides, Moleküle und Atome, zugleich waren.

8 VON QUANTENCOMPUTERN UND SIMULATOREN PQuantenbit alle möglichen Ergebnisse einer Aufgabe auf einmal aralleles Rechnen und die Geheimnisse der Verschränkung Während ein normaler Computer eine Rechenoperation nach der anderen abarbeiten muss, kann ein Quantencomputer schon mit einem einzigen speichern. Denn das Quantenbit nimmt einfach alle möglichen Zustände gleichzeitig ein. Ein Quantencomputer kann dadurch in einem sehr kleinen System viel mehr Zahlen abspeichern als ein klassischer Computer. Er ist jedoch aus technischen Gründen und zum Teil auch aus physikalischen Gründen sehr schwer zu realisieren, erklärt Gerhard Rempe, Forscher am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching. Es gibt aber andere Entwicklungen, wie zum Beispiel Quantensimulatoren. Dabei handelt es sich um einen Computer, der

9 nur für ganz spezielle Zwecke entwickelt wird. Deswegen sind die Anforderungen an ihn auch nicht ganz so hoch wie an einen universellen Quantencomputer. So ist das Auslesen beispielsweise bei diesen Systemen leichter als bei einem universellen Quantencomputer. 5-Qubit Computer N.Podbregar Eine geheimnisvolle Verknüpfung Und noch ein seltsames Phänomen gibt es in der Quantenwelt: die Verschränkung. Sie bewirkt, dass der Zustand eines Quantenbits automatisch den eines anderen beeinflusst und dies scheinbar ohne physikalische Verbindung und über große Entfernungen hinweg. Dadurch können zwei verschränkte Photonen sogar zwei Nullen und zwei Einsen auf einmal kodieren und in diesen beiden Kanälen auch rechnen. Ein System aus tausend Qubits könnte damit die unvorstellbare Menge von zehn hoch 300 Zahlen speichern.. Doch auch in einem solchen System gibt es ein Problem, sobald wir genauer wissen wollen, in welchem Zustand sich eines der beiden Teilchen nun tatsächlich befindet: Sobald ein Physiker die Ausrichtung eines der beiden verschränkten Photonen misst, legt sich dieses beispielsweise auf eine Polarisierungsrichtung - links oder rechts - fest. Das andere Photon, weil verschränkt, wird damit automatisch ebenfalls auf einen Zustand festgelegt. Und genau das ist auch das Problem bei der Entwicklung der Quantencomputer: Denn erste einfache Quantensysteme aus zwei, drei oder fünf Quantenbits gibt es inzwischen bereits. Die Ergebnisse ihrer Berechnungen können auch ausgelesen werden, aber das System der Überlagerungen ist damit beendet. Ein Teil Teil der Information geht damit verloren.

10 Der Trick mit dem CNOT- Gate Doch inzwischen gibt es hier Fortschritte: Im Juni 2007 berichteten niederländische Wissenschaftler im Magazin Nature über eine Rechenoperation mit zwei Quantenbits, die einen Rückschluss auf die verloren gegangene Information Das Prinzip eines CNOT-Gate N. Podbregar erlaubt. Diese kontrollierte-nicht -Kalkulation (CNOT-Gate) ändert den Zustand eines Quantenbits von Eins zu Null und umgekehrt, wenn ein zweites Kontroll-Quantenbit auf Eins steht. Steht dieses dagegen auf Null, ändert sich auch das erste Quantenbit nicht. Der Vorteil dieser auf den ersten Blick trivial erscheinenden Operation: Aus dem Zustand des ersten Quantenbits kann auf das zweite geschlossen werden, ohne es direkt messen zu müssen und damit seinen Quantenzustand zu stören. Man braucht etwas wie ein CNOT-Gate um jeden beliebigen Quantenalgorithmus durchführen zu können, erklärt Hans Mooij von der TU Delft. Als nächsten Schritt wollen die Forscher ihr System nun auf mehrere Quantenbits ausdehnen keine ganz leichte Aufgabe. Man muss um jeden Schritt kämpfen, aber es bewegt sich, so Mooijs Einschätzung der Entwicklung.

11 SCHNITTSTELLE DURCH PHOTONEN- TRICK Ies ebenfalls im Juni 2007 erstmals gelungen, zwischen einem nformationsübertragung vom Quantenspeicher zum Überträger Mit der Erweiterung der Quantensysteme auf mehrere Quantenbits beschäftigt sich auch eine Arbeitsgruppe am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching. Ihnen ist stationären Quantenspeicher, dem Atom, und einem mobilen Medium, dem Photon, eine Schnittstelle herzustellen. Damit schufen sie eine wichtige Voraussetzung, um auch größere Quantencomputer aus einem Netz beliebig vieler kleiner Quantenspeicher zu konstruieren. Die bisherigen Systeme sind von ihrer Struktur her nicht skalierbar, lassen sich also nicht auf viele Qubits erweitern, erklärt Gerhard Rempe, Direktor des Garchinger Instituts. Ein solcher skalierbarer Quantenrechner könnte beispielsweise aus einem Netz von Qubits, etwa einzelnen Atomen, bestehen, die über Photonen miteinander kommunizieren.

12 Laserpulse regen das Rubidium-Atom dazu an, Photonen auszusenden. H. Frater Vom Atom zum Photon Basis des Garchinger Systems bildet ein Rubidium-Atom, dessen interner Zustand in Form des Spins die Quanteninformation darstellt. Durch Laserpulse regten die Forscher das Atom dazu an, Photonen auszusenden. Theoretisch können diese eine von zwei möglichen Schwingungsrichtungen, die so genannte Polarisation, einnehmen. Wie es jedoch für Quantensysteme typisch ist, entscheiden sich weder das Atom noch das ausgesendete Photon für eine der beiden Möglichkeiten. Sie schlagen vielmehr beide Wege gleichzeitig ein und befinden sich dann in einem Zustand, in dem sich jeweils beide Möglichkeiten überlagern, erklärt Tatjane Wilk, eine der beteiligten Wissenschaftlerinnen. Auf eine bestimmte Möglichkeit legen sie sich erst fest, wenn entweder der Polarisationszustand des Photons oder der Spin des Atoms gemessen würde. Dann aber stünde gleich für beide die entsprechende Eigenschaft augenblicklich fest, da sich die beiden Teilchen in einer quantenmechanischen Verschränkung befinden. Zweites Photon als Informationsträger Jetzt jedoch gelang es den Wissenschaftlern, den Quantenzustand des Atoms auf ein zweites, ebenfalls vom Atom ausgesendetes Photon zu übertragen. Dadurch sind dann nicht mehr das Atom und das erste Photon verschränkt, sondern die beiden nacheinander emittierten Photonen. Auf diese Weise lässt sich die in einem Atom gespeicherte Information wieder herauslesen, so Rempe. Messungen der Polarisationszustände zeigen, dass beide Photonen tatsächlich miteinander verschränkt sind. Dies bedeutet, dass sowohl die Atom-Photon Verschränkung bei der ersten Aussendung

13 zuverlässig funktioniert, als auch die vollständige Übertragung der Information auf das zweite Photon. Mit den einzelnen Atomen und einzelnen Photonen steht nun erstmals eine Schnittstelle zwischen einem digitalen Speicher und einem digitalen Überträger von Quanteninformationen zur Verfügung, erklärt Rempe. In einem nächsten Schritt planen wir, Photonen aus zwei Atom-Resonator- Systemen zur Überlagerung zu bringen und dadurch zwei entfernte Quantenspeicher miteinander zu verschränken. Damit erhielten wir ein erstes, wenn auch noch kleines Quantennetzwerk.

14 QUANTENINFORMATION AUF REISEN EQuantenspeicher in Form eines Atoms zu erzeugen, sondern auch, rster Bus für Quantensysteme Einen nächsten Schritt erreichten Physiker der amerikanischen Yale Universität im September Wie sie in Nature berichteten, gelang es ihnen nicht nur, ein Photonensignal aus einem dieses dann mittels Kabel auf ein zweites, entferntes Atom zu übertragen. Damit ist die Kette zu einem Kommunizieren von Quanten-Information erstmals komplett geschlossen. In einem herkömmlichen Computer sorgen Leiterbahnen, so genannte Busse für die Verbindung zwischen den vielen verschiedenen Elementen. Die Forscher unter Leitung von Robert Schoelkopf und Steven Girvin, beide Professoren für Physik an der Yale Universität haben nun erstmals eine Art Quanten-Bus für ein elektronisches System demonstriert. Ausgangspunkt dafür war ein

15 Mikrowellen-Photon als Überträger eines Quantenzustands von einem Qubit zum anderen. Die Wissenschaftler wählten bewusst die Mikrowellen-Wellenlänge für ihr Photon, weil dieses durch Drähte zu einem anderen Ort geschickt werden kann. Am anderen Ende dieses Leiters übertrug das Photon seine Information auf das wartende Ziel- Qubit und damit war die Übertragung abgeschlossen. Eine neue Eigenschaft dieses Experiments ist es, dass das eingesetzte Photon nur virtuell existiert, erklärt Johannes Majer, Co-Autor der Studie. Es existiert nur für den kürzesten Moment bevor es wieder verschwindet. Aber schon dieser kurze Moment reicht, um die entscheidende Leiterbahn für Mikrowellen-Photons Yale University Information zu übertragen. Nach Ansicht der Forscher könnte dieser Ansatz im Prinzip auch auf multiple Qubits ausgedehnt werden und daher als Verbindungselement der zahlreichen Einzelteile eines zukünftigen, komplexeren Quantencomputers dienen.

16 UND DIE ZUKUNFT Wjetzigen Stand der Forschung mit der Anfangszeit der ann wird es die ersten Quantencomputer- Anwendungen geben? Noch allerdings ist man von einer konkreten Anwendung dieser und anderer Erkenntnisse weit entfernt. Schoelkopf vergleicht den konventionellen Computer in den 1950er Jahren, als die ersten Transistoren - noch als Einzelstücke - entwickelt wurden. Heute bestehen modernen Mikroprozessoren aus Milliarden von massenproduzierten Transistoren, aber es brauchte Jahrzehnte der Entwicklung um dorthin zu gelangen. Auch Quantenphysiker Rempe ist eher skeptisch: Bei den universellen Quantencomputern bin ich nicht so optimistisch, dass es in naher Zukunft, in den nächsten paar Jahren, ein sinnvolles System geben wird, das tatsächlich mit den klassischen Computern konkurrieren kann. Wo ich sehr viel optimistischer bin, sind die Quantensimulatoren. Da werden wir in

17 den nächsten Jahren schon die ersten Systeme haben. Eine Anwendung wären beispielsweise bisher ungeklärte Fragen im Magnetismus oder Molekülrechnungen der Chemiker. Einen Quantencomputer für den häuslichen Schreibtisch hält er dagegen für eine Utopie. Seiner Ansicht nach wird das Quantenrechnen immer speziellen Anwendungen vorbehalten bleiben. Ähnlich wie auch ein Flugzeug nicht für den Weg zum Briefkasten sondern für die weiten Entfernungen eingesetzt wird, könnten auch die Quanten demnach zukünftig nicht in den Alltagsanwendungen des einzelnen Nutzers, sondern eher in komplexeren Aufgaben ihre Nische finden

18 04 Impressum scinexx.de - Das Wissensmagazin MMCD NEW MEDIA GmbH Elisabethstraße Düsseldorf Tel Fax info@mmcd.de Geschäftsführer: Harald Frater, frater@mmcd.de Chefredakteurin: Nadja Podbregar, redaktion@scinexx.de Handelsregister: Düsseldorf, HRB 56568; USt.-ID.: DE ; Finanzamt Düsseldorf-Mitte Konzeption/ Programmierung YOUPUBLISH GmbH Werastrasse Stuttgart M: info(at)you-publish.com Geschäftsführer: Andreas Dollmayer 2016 by Konradin Medien GmbH, Leinfelden-Echterdingen