Supercomputer: Im Diktat der Quanten
Die Quantenphysik regiert nicht nur die Welt der Atome und Moleküle, auch makroskopische supraleitende Stromkreise gehorchen ihren bizarren Gesetzen. Sie zeigen das seltsamste aller Quantenphänomene: die Verschränkung.
© John Foxx Images (Ausschnitt)
In einem Supraleiter geschieht Seltsames: Die Elektronen in dem Festkörper verbinden sich knapp über dem absoluten Temperaturnullpunkt zu einem einzigen Superelektron, das sich über den gesamten Supraleiter erstreckt. Das Superelektron ist ein makroskopisches Quantenphänomen. Es ermöglicht den widerstandsfreien Stromtransport durch den Supraleiter.
Wegen ihrer Quantennatur könnten Supraleiter einmal als so genannte Quantenbits oder Qubits eingesetzt werden – als Speicherzellen der Quantencomputer. Für die Realisierung eines Qubits eignen sich Quantensysteme, die durch zwei Energieniveaus beschrieben werden können. Die beiden Energiezustände entsprechen den Informationseinheiten 0 und 1 des klassischen Bits. Im Gegensatz zum herkömmlichen Bit zeigt das Qubit eine Janusköpfigkeit: Ein Bit nimmt entweder den Wert 0 oder den Wert 1 an, Qubits hingegen haben beide Werte gleichzeitig inne, wie die berühmte Schrödingerkatze, die gleichzeitig lebendig und tot ist. Das ermöglicht die parallele Verarbeitung beider Werte, während der klassische Computer sie nacheinander bearbeiten muss. Quantencomputer, so die Hoffnung, werden daher bestimmte Aufgaben, für die ein herkömmlicher Rechner Äonen bräuchte, binnen Sekundenbruchteilen lösen.
Ein Quantencomputer wäre umso leistungsfähiger, je mehr Qubits er enthielte. Damit der Rechner rechnen kann, müssen diese Qubits aber miteinander verschränkt werden – das charakteristischste Merkmal eines Quantensystems. Ihretwegen glaubten viele Physiker im frühen 20. Jahrhundert, unter ihnen auch Albert Einstein, nicht an die gerade entwickelte Quantenmechanik. Das Phänomen widerspricht unserer Vorstellung von Zeit, Raum und Kausalität eklatant, denn zwei miteinander verschränkte Teilchen bleiben auf magische Weise miteinander in Kontakt. Gleichzeitig ausgeführte Messungen an verschränkten Teilchen beeinflussen sich gegenseitig – auch dann, wenn sie so weit voneinander entfernt sind, dass sie mit der begrenzten Lichtgeschwindigkeit keine Informationen austauschen können.
Physiker haben schon nachgewiesen, dass Quantenpartikel wie Photonen die "spukhafte Fernwirkung", wie Einstein die Verschränkung bezeichnete, tatsächlich aufeinander ausüben. Forscher von der University of California in Santa Barbara kamen nun noch einen Schritt weiter: Sie zeigten, dass auch makroskopische supraleitende Schaltkreise auf die geisterhaft anmutende Weise miteinander in Verbindung stehen können.
Die Forscher um Markus Ansmann verwendeten für ihren Nachweis zwei millimetergroße Schaltungen, die jeweils einen so genannten Josephson-Kontakt enthielten. Ein solcher Kontakt besteht aus zwei Supraleitern, die durch eine wenige millionstel Millimeter dünne Isolierschicht voneinander getrennt sind. Die Forscher sendeten Strom in die Schaltung und erzeugten einen Stromfluss, der in der schleifenförmigen Schaltung hin- und herfloss wie in einem Schwingkreis. Wegen der Quantennatur der Supraleiter fließt der Strom in beide Richtungen im und gegen den Uhrzeigersinn gleichzeitig. Da die eine Richtung als 0 und die andere als 1 interpretiert werden kann, wurde die Schaltung zu einem Qubit.
Anschließend verschränkten die Physiker die Qubits in den beiden Schaltungen miteinander und verbanden die Schaltungen mit einer gewundenen Leiterbahn, die als Resonator wirkte. Sie bestrahlten die Anordnung mit einer Sequenz von Mikrowellenpulsen, die eines der beiden Qubits zunächst mit dem Resonator verschränkten, und diesen dann mit dem zweiten Qubit. Jede der sich daran anschließenden Messungen beendete diesen Zwitterzustand wieder: Sie lieferten entweder das Resultat 0 oder 1. Das Messergebnis ist nicht vorhersehbar, doch als die Forscher an beiden Qubits gleichzeitig maßen, stimmten die Messergebnisse öfter überein, als dies ohne Verschränkung eigentlich erklärbar wäre.
Damit verletzte die Messreihe die so genannte bellsche Ungleichung, mit der sich quantenmechanische Verschränkung von klassischer Vorherbestimmung unterscheiden lässt. Einstein und andere Physiker hatten behauptet, die "spukhafte Fernwirkung" sei gar keine Fernwirkung, vielmehr seien die Ergebnisse an den scheinbar verschränkten Teilchen durch "verborgene Variablen" schon vorher festgelegt. Der Anschein einer überlichtschnellen Kommunikation sollte damit aus der Welt geschafft werden: Die Quantenphysik sei eine unvollständige Beschreibung der Wirklichkeit, weil sie die verborgenen Variablen nicht beinhalte.
Der nordirische Physiker John Bell hatte gezeigt, dass verborgene Variablen die starke Kopplung verschränkter Teilchen nicht reproduzieren können: So korrelieren die Messergebnisse stärker, als sich dies anhand der auf verborgenen Variablen basierenden Theorie erklären lässt. Und genau dieses Resultat haben die Forscher um Ansmann nun bei einem makroskopischen System ebenfalls beobachtet.
Ihr Ergebnis beweist, dass es sich bei den supraleitenden Stromkreisen tatsächlich um ein Quantensystem handelt. "Die Verletzung der bellschen Ungleichung ist ein besonders sauberer Test des Quantenverhaltens eines Systems", erklärt John Martinis, einer der Mitautoren der Studie. Der Test demonstriert die Quantennatur mit nur wenigen Annahmen schon mit Hilfe simpler Statistik.
Wegen ihrer Quantennatur könnten Supraleiter einmal als so genannte Quantenbits oder Qubits eingesetzt werden – als Speicherzellen der Quantencomputer. Für die Realisierung eines Qubits eignen sich Quantensysteme, die durch zwei Energieniveaus beschrieben werden können. Die beiden Energiezustände entsprechen den Informationseinheiten 0 und 1 des klassischen Bits. Im Gegensatz zum herkömmlichen Bit zeigt das Qubit eine Janusköpfigkeit: Ein Bit nimmt entweder den Wert 0 oder den Wert 1 an, Qubits hingegen haben beide Werte gleichzeitig inne, wie die berühmte Schrödingerkatze, die gleichzeitig lebendig und tot ist. Das ermöglicht die parallele Verarbeitung beider Werte, während der klassische Computer sie nacheinander bearbeiten muss. Quantencomputer, so die Hoffnung, werden daher bestimmte Aufgaben, für die ein herkömmlicher Rechner Äonen bräuchte, binnen Sekundenbruchteilen lösen.
Ein Quantencomputer wäre umso leistungsfähiger, je mehr Qubits er enthielte. Damit der Rechner rechnen kann, müssen diese Qubits aber miteinander verschränkt werden – das charakteristischste Merkmal eines Quantensystems. Ihretwegen glaubten viele Physiker im frühen 20. Jahrhundert, unter ihnen auch Albert Einstein, nicht an die gerade entwickelte Quantenmechanik. Das Phänomen widerspricht unserer Vorstellung von Zeit, Raum und Kausalität eklatant, denn zwei miteinander verschränkte Teilchen bleiben auf magische Weise miteinander in Kontakt. Gleichzeitig ausgeführte Messungen an verschränkten Teilchen beeinflussen sich gegenseitig – auch dann, wenn sie so weit voneinander entfernt sind, dass sie mit der begrenzten Lichtgeschwindigkeit keine Informationen austauschen können.
Physiker haben schon nachgewiesen, dass Quantenpartikel wie Photonen die "spukhafte Fernwirkung", wie Einstein die Verschränkung bezeichnete, tatsächlich aufeinander ausüben. Forscher von der University of California in Santa Barbara kamen nun noch einen Schritt weiter: Sie zeigten, dass auch makroskopische supraleitende Schaltkreise auf die geisterhaft anmutende Weise miteinander in Verbindung stehen können.
Die Forscher um Markus Ansmann verwendeten für ihren Nachweis zwei millimetergroße Schaltungen, die jeweils einen so genannten Josephson-Kontakt enthielten. Ein solcher Kontakt besteht aus zwei Supraleitern, die durch eine wenige millionstel Millimeter dünne Isolierschicht voneinander getrennt sind. Die Forscher sendeten Strom in die Schaltung und erzeugten einen Stromfluss, der in der schleifenförmigen Schaltung hin- und herfloss wie in einem Schwingkreis. Wegen der Quantennatur der Supraleiter fließt der Strom in beide Richtungen im und gegen den Uhrzeigersinn gleichzeitig. Da die eine Richtung als 0 und die andere als 1 interpretiert werden kann, wurde die Schaltung zu einem Qubit.
Anschließend verschränkten die Physiker die Qubits in den beiden Schaltungen miteinander und verbanden die Schaltungen mit einer gewundenen Leiterbahn, die als Resonator wirkte. Sie bestrahlten die Anordnung mit einer Sequenz von Mikrowellenpulsen, die eines der beiden Qubits zunächst mit dem Resonator verschränkten, und diesen dann mit dem zweiten Qubit. Jede der sich daran anschließenden Messungen beendete diesen Zwitterzustand wieder: Sie lieferten entweder das Resultat 0 oder 1. Das Messergebnis ist nicht vorhersehbar, doch als die Forscher an beiden Qubits gleichzeitig maßen, stimmten die Messergebnisse öfter überein, als dies ohne Verschränkung eigentlich erklärbar wäre.
Damit verletzte die Messreihe die so genannte bellsche Ungleichung, mit der sich quantenmechanische Verschränkung von klassischer Vorherbestimmung unterscheiden lässt. Einstein und andere Physiker hatten behauptet, die "spukhafte Fernwirkung" sei gar keine Fernwirkung, vielmehr seien die Ergebnisse an den scheinbar verschränkten Teilchen durch "verborgene Variablen" schon vorher festgelegt. Der Anschein einer überlichtschnellen Kommunikation sollte damit aus der Welt geschafft werden: Die Quantenphysik sei eine unvollständige Beschreibung der Wirklichkeit, weil sie die verborgenen Variablen nicht beinhalte.
Der nordirische Physiker John Bell hatte gezeigt, dass verborgene Variablen die starke Kopplung verschränkter Teilchen nicht reproduzieren können: So korrelieren die Messergebnisse stärker, als sich dies anhand der auf verborgenen Variablen basierenden Theorie erklären lässt. Und genau dieses Resultat haben die Forscher um Ansmann nun bei einem makroskopischen System ebenfalls beobachtet.
Ihr Ergebnis beweist, dass es sich bei den supraleitenden Stromkreisen tatsächlich um ein Quantensystem handelt. "Die Verletzung der bellschen Ungleichung ist ein besonders sauberer Test des Quantenverhaltens eines Systems", erklärt John Martinis, einer der Mitautoren der Studie. Der Test demonstriert die Quantennatur mit nur wenigen Annahmen schon mit Hilfe simpler Statistik.
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