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FORSCHUNG/508: Wo steht die Quantenrevolution? (research*eu)


research*eu Nr. 55 - Januar 2008
Magazin des Europäischen Forschungsraums

Wo steht die Quantenrevolution?

Von François Rebufat


Ist die Fusion der Informationswissenschaften mit der Quantenphysik, um Superrechner und unverletzliche Kommunikationsnetze zu ersinnen, nur ein entfernter Traum oder bereits nahe Wirklichkeit? So vielversprechend die Fortschritte, die im Labor und in kleinem Maßstab gemacht werden, auch sein mögen, sie zeigen nicht die technologischen Hindernisse, die es zu überwinden gilt, damit das neue "revolutionäre" Zeitalter der Informations- und Kommunikationsgesellschaft Form und Gestalt annehmen kann.


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William D. Phillips, Träger des Physik-Nobelpreises 1997, schätzt, dass die Quanteninformatik "einen noch radikaleren Bruch darstellen wird, als der, der die heutigen Computer vom Rechenschieber unserer Vorfahren trennt." David Deutsch, Professor für Physik an der Oxford University und Vorreiter auf dem Gebiet der Quanteninformatik, bemerkt seinerseits, dass "das Zeitalter der Informatik noch nicht wirklich begonnen hat." Das, was die Forscher voraussehen, ist eine wunderbare Veränderung: ein Umschwenken zur Welt der Quantenphysik, weil die Nutzung ihrer einzigartigen Eigenschaften bisher undenkbare Wege für die klassischen Technologien eröffnet.

Obwohl Europa nur 8 Millionen Euro in diesen Forschungsbereich investiert (im Vergleich zu 75 Millionen in den Vereinigten Staaten), hat es dennoch eine echte Forschungsgemeinschaft etablieren können, in der sich eine Vielzahl von Arbeiten aus allen Bereichen der Quanteninformatik koordinieren lassen. Unterstützt durch eine Finanzhilfe in Höhe von 38 Millionen Euro aus dem 6. Rahmenprogramm, setzt sich das Cluster Quantum Information Processing and Communication (QIPC) aus drei integrierten Projekten zur Quanteninformatik (SCALA, EuroSQIP, QAP), acht kleineren Projekten zu Informatik, Kommunikations- und Informationswissenschaften und einem umfangreichen integrierten Projekt (SECOQC) zusammen, das sich die Entwicklung eines globalen Kommunikationsnetzes auf der Grundlage der Quantenkryptographie vorgenommen hat.


Stärken und Schwächen der Quanteninformatik

In der Darstellung seiner Primärinformation unterscheidet sich der Quantencomputer grundlegend von einem klassischen Computer, dessen Informationseinheit das "Bit" ist, das den Wert "0" oder "1" tragen kann. Diese Werte entsprechen dem blockierten oder dem ungehinderten Fluss eines mikroelektronischen Stroms. Der Quantenrechner stützt sich jedoch auf "Quantenbits", oder "Qubits", die gleichzeitig den Wert "0" und "1" annehmen. Weil es von einem Photon, einem Ion, einem Atom oder einem anderen Objekt, das den Gesetzen der Quantenmechanik folgt, getragen wird, "überlagert" das Qubit diese Dualität während der gesamten Berechnung.

Die Rechenleistung einer solchen Maschine ist exponential zur Funktion der Anzahl der Qubits: Der Prozess wird auf zwei möglichen Werten für alle Qubits ausgeführt. Speicher und Leistung werden vervielfacht. Der Arbeitsspeicher eines normalen Desktop-Rechners wird in Milliarden Bits gezählt, während ein Quantenprozessor mit mehreren hundert Qubits theoretisch eine Informationsmenge kodieren könnte, die der Anzahl der Atome im gesamten Universum entspricht.

Die Überlagerung der Dualität, der Schlüssel zur Leistung dieser Maschinen, ist aber auch ihr verwundbarer Punkt. Gerät ein Qubit mit einem Element von außen in Kontakt oder erfolgt eine unkontrollierte Interaktion zwischen zwei Qubits, bricht die Überlagerung zusammen. Die Physiker sprechen bei diesem Phänomen von Dekohärenz. Diese Überlagerung muss unbedingt aufrechterhalten werden, weil die Berechnung auf allen Kombinationen der möglichen Zustände parallel ausgeführt wird - getragen von der Gesamtheit der Qubits.


Für einige Qubits mehr

Je zahlreicher die Qubits sind, desto höher ist das Risiko einer Wechselwirkung zwischen ihnen und desto größer sind die Anwendungsschwierigkeiten von Technologien, um diese Wechselwirkungen zu kontrollieren und die Überlagerung aufrechtzuerhalten. Zwischen 1998 und 2006 haben mehrere amerikanische Teams experimentelle Geräte von zwei, sieben und schließlich zwölf Qubits entwickelt, die durch nukleare Magnetresonanz (NMR) kontrolliert und von Flüssigkristallen getragen wurden. "Es ist mit diesem Ansatz wahrscheinlich unmöglich, die Zahl von etwa 20 Qubits zu überschreiten", schätzt Göran Wendin, Koordinator von EuroSQIP. Dieser Weg wird demzufolge von der Gemeinschaft QIPC nicht weiterverfolgt, die sich unter anderem auf Qubits verlegt hat, die durch Supraleiter schaltungen oder durch in Halbleitern im Festzustand eingeschlossene Verunreinigungen getragen werden. Eine Maschine zu realisieren, die auf diesen Prinzipien beruht, wäre schon ein wichtiger Fortschritt, auch wenn die Anzahl der Qubits begrenzt bleibt. Für EuroSQIP liegt der Durchschnitt zwischen fünf und acht Qubits, und man hofft, in der Zukunft auf 128 zu kommen. Andere Ansätze, die von den Projekten SCALA und QAP verfolgt werden, erwägen, Ionen oder Atome einzufangen, um die Qubits zu tragen. Potenzielle technologische Lösungen gibt es im Überfluss - die Herausforderung für QIPC liegt darin, die beste herauszufinden.


Sicherung der Datenübermittlung

Bildet das Prinzip der Superposition oder Überlagerung das Herz der Quantenrechner-Technologie, so verkörpert die Verschränkung die Grundlage für die Anwendung der Quantenphysik auf dem Gebiet der Datenübermittlung. Indem man zwei Partikel miteinander interaresearch* gieren lässt, schafft man eine Quantenrelation, die diese Partikel voneinander abhängig macht, wie groß auch immer die Entfernung zwischen ihnen ist. Die Forscher können diese Abhängigkeit für eine sichere Datenübermittlung nutzen, weil das Verhältnis der Verschränkung theoretisch fast unverletzbar ist. Falls ein neugieriger Beobachter auf die Idee käme, ein Partikel von beiden genauer zu betrachten, würde sich die Superposition des Quantenzustandes sofort in Luft auflösen.

Die verschränkten Quantenzustände bilden den Schlüssel zur Kryptographie, jedoch bedeutet ihre Auflösung quasi den Verlust des Schlüssels. Die Sicherungsmethode besteht in der Aufteilung von einem Paar im Voraus verschränkter Partikel zwischen Absender und Empfänger. Der Absender bedient sich also des Quantenzustandes seines Partikels, um seine Nachricht zu kodieren, die er über eine herkömmliche Leitung verschicken will. Dieser Zustand wird unmittelbar an den Partikelzustand des Empfängers teleportiert, der nur den übermittelten Schlüssel zur Dekodierung benutzen muss.


Große Entfernungen unmöglich

Die erste Herausforderung der Quanten kommunikation besteht in der Schwierigkeit, Partikel und ihren Quantenzustand, also verschränkte Partikel, über lange Strecken zu übermitteln. Photonen, die über Lichtwellenleiter transportiert werden, können nach aktuellem Wissensstand nur knapp 100 km überwinden. Laborexperimente haben bis heute die 50 km-Grenze nicht überschritten. Eine derzeit untersuchte Option besteht im Einsatz von Quantenrelais, um die Datenkanäle zu segmentieren und die Entfernungen auf mehrere Dutzend Kilometer zu begrenzen.

Andere Studien interessieren sich für die Photonenübertragung durch optische Übertragung in der Atmosphäre (oder im All). Der Erfolg eines europäischen Teams im Jahre 2007 eröffnet hier vielversprechende Perspektiven. Den Forschern ist die Übertragung eines verschränkten Photons über 144 km gelungen. Diese Quantenverbindung wird nun dazu genutzt, einen Kodierungsschlüssel zu entwickeln. Das Ziel ist, die Machbarkeit auf der Ebene der Satellitenverbindung zu erreichen, aber der Schritt zu einer verwertbaren Technologie wurde bislang noch nicht bewältigt.

Die beteiligten Techniken sind zahlreich und schwerfällig, sie bedürfen extremer Präzision und die theoretischen Grundlagen sind noch unvollständig. Experimentieren bleibt komplex und sehr kostenintensiv. Dennoch wollen die Wissenschaftler in der ganzen Welt daran glauben und investieren jedes Jahr Hunderte von Millionen Euro. Ist es nur der ausgezeichnete technologische Absatzmarkt, der eine solche Finanzierung begründet, oder kann man in diesem Hype eine wissenschaftliche Faszination für die Verbindungsschlüssel zwischen zwei wichtigen wissenschaftlichen Bereichen des 20. Jahrhunderts sehen: der Quantenphysik und der Informationswissenschaft? Eine Kombination, die laut Jozef Gruska, Professor an der Masaryk- Universität in Brno (CZ) und Pionier der Informatik in Europa, "einen wesentlichen Fortschritt in der Informationswissenschaft und im Verständnis der Quantennatur unseres Universums verspricht".


Zukunftsvision

"Heute tragen die experimentellen Geräte auf den Prozessoren zwei bis vier Qubits, indem sie feste Supraleitungen benutzen. Man hofft, dass man Prozessoren für drei oder vier Qubits in den nächsten fünf Jahre entwickeln kann, die im Laufe der nächsten zehn Jahre auf zehn erweiterbar sind. Andere Teams arbeiten an Trägern auf der Basis von Halbleitern, eine konkurrierende Technologie, die interessante Perspektiven eröffnet. Niemand weiß, wo sich dieses Forschungsgebiet in 20 Jahren befinden wird. Vielleicht sind bis dahin schon Rechner mit 20 bis 50 Qubits verfügbar - oder vielleicht wurde die Quanteninformatik bis dahin aber auch wieder aufgegeben.

Wie dem auch sei, die Quantentechnologie hat noch einige schöne Tage vor sich. Instrumente, wie der Quantencoprozessor, die Relais für die Datenübermittlung, die Detektoren oder die Quantengeber öffnen das Tor für neue Entwicklungen, mit denen man zweckmäßige Werkzeuge zur Ergänzung und Verbesserung der herkömmlichen Geräte erarbeiten kann." (Göran Wendin, Projektkoordinator von EuroSQIP)


Ein Quantenrechner im Netz

Die Wissenschaftler des Projekts SECOQC möchten die Verschränkung ausnutzen und eine verteilte Netzwerkarchitektur entwickeln, um die Berechnungenauf mehrere Rechner aufzuteilen. Jedes Qubit übermittelt seinen Zustand über die Verschränkungsrelation, der es angehört, an die anderen, unabhängig von dem Rechner, auf dem es sich befindet. Obwohl die klassischen, verteilten Netzwerkarchitekturen (die Grids) es erforderlich machen, die verschiedenen Strukturen der Informatik immer wieder neu zu überdenken, bleibt der Einsatz von Quantencomputern selbst im Betrieb mit diesen Rechnern kohärent. Eine Quantenberechnung, bei der es sich um die kontrollierte Interaktion mehrerer Qubits handelt, sieht nicht wesentlich anders aus, wenn diese sich auf dem gleichen Rechner befinden oder in einem Netz, in dem sie durch die Verschränkung der Qubits miteinander verbunden sind. Das Netz verhält sich dann wie ein gigantischer Computer.


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Quelle:
research*eu Nr. 55 - Januar 2008, Seite 32-34
Magazin des Europäischen Forschungsraums
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veröffentlicht im Schattenblick zum 7. Juni 2008