Quantenphysik: Der plötzliche Quantentod
In der Welt der Quanten treten Wahrscheinlichkeiten und Unendlichkeiten an die Stelle der gewohnten Sicherheit des "Großen". Bis jemand einen Blick auf die Winzigkeit wirft. Dann ist es urplötzlich aus mit dem Mischmasch aus Zuständen. - Sehr zum Leidwesen der Konstrukteure von Quantencomputern.
Zwei Unmöglichkeiten verlangen die hoch gepriesenen Quantencomputer der Zukunft ab: Ihre Qubit genannten Informationsspeicher müssen mehrere widersprüchliche Zustände gleichzeitig annehmen, und räumlich getrennte Qubits müssen bis zur Ununterscheidbarkeit miteinander verschmolzen sein. Etwas überspitzt formuliert: Alle Rechnungen sollen gleichzeitig und überall ablaufen. Mit herkömmlicher Physik geht so etwas nicht. In der Quantenwelt aber ist das überhaupt kein Problem.
Denn in der Quantenwelt herrschen Wahrscheinlichkeiten. Statt "so ist es" heißt es dort stets "so könnte es sein oder so oder so oder so ..." Und alle "So"s können sogar gleichzeitig zutreffen. Elektronen spinnen gleichzeitig nach oben und unten, Wellen sind gleichzeitig horizontal und parallel polarisiert, Katzen gleichzeitig lebendig und tot. Klingt für unsere klassisch physikalischen Geister völlig verrückt, ist aber sowohl theoretisch als auch experimentell bestens belegt und unter dem Stichwort "Superposition" oder "Überlagerung" von Zuständen in einschlägigen Lehrbüchern ausführlich beschrieben. Zukünftigen Generationen von Computern soll diese Superposition die Fähigkeit verleihen, eine vorgegebene Prozedur mit annähernd beliebig vielen unterschiedlichen Ausgangswerten in einem einzigen, massiv parallelen Durchlauf abzuarbeiten. Beispielsweise, um Codes zu knacken, indem sie alle möglichen Varianten in einem Schritt durchprobieren.
Aber ein Qubit alleine reicht dafür nicht aus. Zum Rechnen müssen mehrere Qubits miteinander verknüpft werden, ihre Informationen austauschen und sich gegenseitig beeinflussen. Im Prinzip die gleiche Aufgabe, die heutzutage in den Computerchips logische Schaltungen ausführen. Allerdings wären Transistoren und Dioden mit den quantenphysikalischen Überfliegern hoffnungslos überfordert. Um mit überlagerten Zuständen zu jonglieren, bedarf es schon einer weiteren Besonderheit der Quantenwelt – der Verschränkung.
Dabei handelt es sich gewissermaßen um die intimste Verknüpfung, die überhaupt denkbar ist. Werden zwei Teilchen miteinander verschränkt, geben sie ihre Individualität teilweise vollständig auf. Sie werden in Bezug auf bestimmte Eigenschaften zu einem Teilchen – selbst dann, wenn sie weit voneinander entfernt sind. Versetzen wir etwa ein Photon in einen überlagerten Zustand von horizontaler und vertikaler Polarisation und verschränken es mit einem anderen Photon, so könnten wir sie in entgegengesetzte Richtungen schicken, und ihre Polarisationen wären weiterhin miteinander verbunden. Müsste sich eines der Photonen am Rande der Galaxie für eine Polarisation entscheiden – nehmen wir an, es würde vertikal wählen –, so ginge das andere auf der gegenüberliegenden Seite der Milchstraße sofort in die horizontale Polarisation über, weil ihm nur dieser Zustand geblieben ist. Erst damit ist die Verschränkung aufgehoben und die Photonen sind wieder absolut eigenständige Individuen. Eine wahrhaft "spukhafte" Fernwirkung, wie Albert Einstein es einst nannte.
Doch auch die schön abstruse Quantenwelt hat ihre Probleme. Sie ist nämlich hochgradig anfällig für Störungen. Jedes Mal, wenn ein Physiker die Teilchen mit einem Detektor einfängt, sie mit einem anderen Teilchen kollidieren oder auch nur irgendwelche Strahlung verspüren, geht die wunderbare Überlagerung von Zuständen ebenso in die Knie wie die partnerschaftliche Verschränkung. Dekohärenz nennen Wissenschaftler diesen Kollaps von der verwischten Quantenwirklichkeit in die profane klassische Realität. Und diese Dekohärenz ist folglich einer der größten Knackpunkte bei der Entwicklung von Quantencomputern.
Außerdem ist sie tückischer, als man bislang angenommen hat. Das haben nun Physiker von der Universidade Federal im brasilianischen Rio de Janeiro um Luiz Davidovich mit einem ausgeklügelten Experiment nachgewiesen. Sie haben beobachtet, was passiert, wenn man verschränkte Photonen, die gleichzeitig horizontal und vertikal polarisiert sind, mehr oder minder stört. Ihr Ergebnis dürfte den Quantentüftlern einige Kopfschmerzen bereiten: Die Verschränkung kann einen unerwartet plötzlichen Tod sterben.
Das Resultat ist überraschend, da bei einzelnen Teilchen die Überlagerung exponentiell verloren geht – und damit auch nach einer Ewigkeit nicht ganz verschwunden ist. Solch kleine Reste könnte man aber prinzipiell wieder auffrischen und so einen Prozess in Quantencomputern am Laufen halten. Verschränkte Systeme hatten Physiker meist einfach als zwei Einzelsysteme angesehen und deshalb einen ähnlichen Verlauf erwartet.
Die Photonen in dem Versuchsaufbau der brasilianischen Wissenschaftler erlitten jedoch ein anderes Schicksal. Zunächst wurden sie polarisiert und verschränkt und dann in zwei getrennte Apparaturen geschickt – jeder verschränkte Partner in seinen eigenen. Dort leiteten Strahlteiler die horizontalen und die vertikalen Komponenten auf getrennte Wege. Während dem horizontalen Anteil unterwegs nichts passierte, wurde die vertikale Polarisation mit einem optischen Plättchen verdreht – eine künstliche Störung, deren Ausmaß die Forscher gut kontrollieren konnten. Eine Detektoreinheit stellte abschließend fest, welche Auswirkungen dies auf die Photonen hatte.
Davidovich und sein Team fanden tatsächlich den exponentiellen Abfall, der von Einzelteilchen bekannt ist. Aber sie sahen die Verschränkung auch schnell völlig verschwinden. Diesen schnellen Tod ("entanglement sudden death", ESD) hatten Theoretiker rechnerisch bereits entdeckt, wirklich gemessen hatte ihn aber zuvor niemand. Anschaulich vorstellen kann man ihn sich vielleicht mit Hilfe von Seifenblasen. Ihre Hüllen stellen eine Art äußere Grenze der wirksamen Wellenfunktion dar, mit der die Quantenphysik Teilchen beschreibt. Bei völlig ungestörten verschränkten Teilchen dehnen sich ihre Blasen über das gesamte Universum aus. Störungen lassen aber immer mehr Luft aus ihnen heraus, die Blasen schrumpfen, und irgendwann verlieren sie den Kontakt zueinander. In diesem Moment sind die Teilchen isoliert voneinander, die Verschränkung stirbt, obwohl jedes Teilchen für sich gesehen noch weiterhin quantenphysikalisch "seltsam" ist.
Die Premiere des ersten brauchbaren Quantencomputers dürfte durch den plötzlichen Quantentod ein weiteres Stückchen in Richtung auf das ferne Ende der Zukunft gerutscht sein. Mühevoll berechnete Ergebnisse, die kurz vor der Ausgabe im Nichts verschwinden, können aktuelle Computer ebenso gut produzieren. Für die Erforschung der Quantenwelt eröffnet sich hingegen ein neues Feld. Denn endlich können Wissenschaftler mit Laser, Detektor und Filter untersuchen, wie störend Störungen im Kleinsten eigentlich sind. Und damit, warum echte Katzen stets sicher tot oder lebendig sind – und nicht beides gleichzeitig.
Denn in der Quantenwelt herrschen Wahrscheinlichkeiten. Statt "so ist es" heißt es dort stets "so könnte es sein oder so oder so oder so ..." Und alle "So"s können sogar gleichzeitig zutreffen. Elektronen spinnen gleichzeitig nach oben und unten, Wellen sind gleichzeitig horizontal und parallel polarisiert, Katzen gleichzeitig lebendig und tot. Klingt für unsere klassisch physikalischen Geister völlig verrückt, ist aber sowohl theoretisch als auch experimentell bestens belegt und unter dem Stichwort "Superposition" oder "Überlagerung" von Zuständen in einschlägigen Lehrbüchern ausführlich beschrieben. Zukünftigen Generationen von Computern soll diese Superposition die Fähigkeit verleihen, eine vorgegebene Prozedur mit annähernd beliebig vielen unterschiedlichen Ausgangswerten in einem einzigen, massiv parallelen Durchlauf abzuarbeiten. Beispielsweise, um Codes zu knacken, indem sie alle möglichen Varianten in einem Schritt durchprobieren.
Aber ein Qubit alleine reicht dafür nicht aus. Zum Rechnen müssen mehrere Qubits miteinander verknüpft werden, ihre Informationen austauschen und sich gegenseitig beeinflussen. Im Prinzip die gleiche Aufgabe, die heutzutage in den Computerchips logische Schaltungen ausführen. Allerdings wären Transistoren und Dioden mit den quantenphysikalischen Überfliegern hoffnungslos überfordert. Um mit überlagerten Zuständen zu jonglieren, bedarf es schon einer weiteren Besonderheit der Quantenwelt – der Verschränkung.
Dabei handelt es sich gewissermaßen um die intimste Verknüpfung, die überhaupt denkbar ist. Werden zwei Teilchen miteinander verschränkt, geben sie ihre Individualität teilweise vollständig auf. Sie werden in Bezug auf bestimmte Eigenschaften zu einem Teilchen – selbst dann, wenn sie weit voneinander entfernt sind. Versetzen wir etwa ein Photon in einen überlagerten Zustand von horizontaler und vertikaler Polarisation und verschränken es mit einem anderen Photon, so könnten wir sie in entgegengesetzte Richtungen schicken, und ihre Polarisationen wären weiterhin miteinander verbunden. Müsste sich eines der Photonen am Rande der Galaxie für eine Polarisation entscheiden – nehmen wir an, es würde vertikal wählen –, so ginge das andere auf der gegenüberliegenden Seite der Milchstraße sofort in die horizontale Polarisation über, weil ihm nur dieser Zustand geblieben ist. Erst damit ist die Verschränkung aufgehoben und die Photonen sind wieder absolut eigenständige Individuen. Eine wahrhaft "spukhafte" Fernwirkung, wie Albert Einstein es einst nannte.
Doch auch die schön abstruse Quantenwelt hat ihre Probleme. Sie ist nämlich hochgradig anfällig für Störungen. Jedes Mal, wenn ein Physiker die Teilchen mit einem Detektor einfängt, sie mit einem anderen Teilchen kollidieren oder auch nur irgendwelche Strahlung verspüren, geht die wunderbare Überlagerung von Zuständen ebenso in die Knie wie die partnerschaftliche Verschränkung. Dekohärenz nennen Wissenschaftler diesen Kollaps von der verwischten Quantenwirklichkeit in die profane klassische Realität. Und diese Dekohärenz ist folglich einer der größten Knackpunkte bei der Entwicklung von Quantencomputern.
Außerdem ist sie tückischer, als man bislang angenommen hat. Das haben nun Physiker von der Universidade Federal im brasilianischen Rio de Janeiro um Luiz Davidovich mit einem ausgeklügelten Experiment nachgewiesen. Sie haben beobachtet, was passiert, wenn man verschränkte Photonen, die gleichzeitig horizontal und vertikal polarisiert sind, mehr oder minder stört. Ihr Ergebnis dürfte den Quantentüftlern einige Kopfschmerzen bereiten: Die Verschränkung kann einen unerwartet plötzlichen Tod sterben.
Das Resultat ist überraschend, da bei einzelnen Teilchen die Überlagerung exponentiell verloren geht – und damit auch nach einer Ewigkeit nicht ganz verschwunden ist. Solch kleine Reste könnte man aber prinzipiell wieder auffrischen und so einen Prozess in Quantencomputern am Laufen halten. Verschränkte Systeme hatten Physiker meist einfach als zwei Einzelsysteme angesehen und deshalb einen ähnlichen Verlauf erwartet.
Die Photonen in dem Versuchsaufbau der brasilianischen Wissenschaftler erlitten jedoch ein anderes Schicksal. Zunächst wurden sie polarisiert und verschränkt und dann in zwei getrennte Apparaturen geschickt – jeder verschränkte Partner in seinen eigenen. Dort leiteten Strahlteiler die horizontalen und die vertikalen Komponenten auf getrennte Wege. Während dem horizontalen Anteil unterwegs nichts passierte, wurde die vertikale Polarisation mit einem optischen Plättchen verdreht – eine künstliche Störung, deren Ausmaß die Forscher gut kontrollieren konnten. Eine Detektoreinheit stellte abschließend fest, welche Auswirkungen dies auf die Photonen hatte.
Davidovich und sein Team fanden tatsächlich den exponentiellen Abfall, der von Einzelteilchen bekannt ist. Aber sie sahen die Verschränkung auch schnell völlig verschwinden. Diesen schnellen Tod ("entanglement sudden death", ESD) hatten Theoretiker rechnerisch bereits entdeckt, wirklich gemessen hatte ihn aber zuvor niemand. Anschaulich vorstellen kann man ihn sich vielleicht mit Hilfe von Seifenblasen. Ihre Hüllen stellen eine Art äußere Grenze der wirksamen Wellenfunktion dar, mit der die Quantenphysik Teilchen beschreibt. Bei völlig ungestörten verschränkten Teilchen dehnen sich ihre Blasen über das gesamte Universum aus. Störungen lassen aber immer mehr Luft aus ihnen heraus, die Blasen schrumpfen, und irgendwann verlieren sie den Kontakt zueinander. In diesem Moment sind die Teilchen isoliert voneinander, die Verschränkung stirbt, obwohl jedes Teilchen für sich gesehen noch weiterhin quantenphysikalisch "seltsam" ist.
Die Premiere des ersten brauchbaren Quantencomputers dürfte durch den plötzlichen Quantentod ein weiteres Stückchen in Richtung auf das ferne Ende der Zukunft gerutscht sein. Mühevoll berechnete Ergebnisse, die kurz vor der Ausgabe im Nichts verschwinden, können aktuelle Computer ebenso gut produzieren. Für die Erforschung der Quantenwelt eröffnet sich hingegen ein neues Feld. Denn endlich können Wissenschaftler mit Laser, Detektor und Filter untersuchen, wie störend Störungen im Kleinsten eigentlich sind. Und damit, warum echte Katzen stets sicher tot oder lebendig sind – und nicht beides gleichzeitig.
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