Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/quantenphysik-im-kleinen-spielt-das-universum-verrueckt-1704-127350.html    Veröffentlicht: 20.04.2017 09:02    Kurz-URL: https://glm.io/127350

Quantenphysik

Im Kleinen spielt das Universum verrückt

Was Sie über Quantenphysik wissen müssen, um das Prinzip eines Quantencomputers zu verstehen.

Ups, da ist es doch hineingerutscht, das böse Wort: Verstehen passt ungefähr so gut zur Welt der Quanten wie Berechenbarkeit zur Welt des aktuellen US-Präsidenten. Richard Feynman, einer der bekanntesten Quantenphysiker, sagte deshalb: "Ich glaube, ich kann mit Sicherheit sagen, dass niemand die Quantenphysik versteht." Und Albert Einstein, der mit der Allgemeinen Relativitätstheorie immerhin die Physik revolutionierte, hielt die Quantentheorie für Humbug, der sich für ihn aus einem mangelndem Verständnis der wahren Natur der Dinge ergab.

Einstein hatte unrecht, was den Wahrheitsgehalt der Quantenphysik betrifft. Es handelt sich um eine der am besten überprüften Theorien überhaupt. Jede ihrer Behauptungen hat sich bestätigt. Die moderne Technik beruht ebenso darauf wie das biologische Leben auf der Erde. Ohne die seltsamen Gesetze des Quantenreichs gäbe es nichts und niemanden, wären sogar die Atome instabil. Aber das macht es nicht einfacher, sie wirklich zu verstehen. Es gibt deshalb sogar Dissertationen, die sich mit der Frage befassen, ob wir für die Quantentheorie nicht gar ein neues Verständnis des Verstehens brauchen.

Die Materie kann mal aus der Reihe tanzen

Nach dieser Einleitung sind wir ja nun hoffentlich unter uns. Als hoffnungsfroher Knappe des Quantenreichs ist Ihnen klar, dass Sie mit Newtonscher Logik - Apfel fällt nach unten, also muss es eine nach unten wirkende Kraft geben - nicht mehr weiterkommen. Tatsächlich fällt auf der Ebene der Quantenphysik der Apfel nicht immer nach unten, selbst wenn es eine solche Kraft gibt, sondern manchmal auch nach oben. Gesetze gelten hier plötzlich nicht mehr wörtlich, sondern nur noch statistisch, und geben der Materie damit genügend Raum, auch mal aus der Reihe zu tanzen.

Es gibt drei Phänomene, die Sie akzeptieren müssen - ich verwende hier absichtlich nicht das V-Wort -, wenn Sie das Prinzip eines Quantencomputers verstehen wollen - an dieser Stelle ist es dann wieder angebracht: Superposition, Unschärfe und Verschränkung.

1. Die Superposition

Die Superposition war das erste dieser Phänomene, das den Physikern auffiel, und zwar mit Hilfe des Doppelspalt-Experiments. Wenn wir Licht oder irgendeine andere Welle durch zwei Spalte in einer Barriere schicken, wird die Welle von den beiden Löchern derart gebeugt, dass sich unter der Barriere ein Interferenzmuster ergibt. Das lässt sich in jedem Maßstab beobachten, sogar mit Wasser an einer Hafenmauer mit zwei Durchlassstellen. Es handelt sich hier um klassische Physik.

Das Elektron, sagt uns das Standardmodell der Teilchenphysik, ist unteilbar und punktförmig. Nun schicken wir dieses Teilchen durch den Doppelspalt und sehen ebenfalls ein Interferenzmuster! Das bedeutet, dass das eigentlich unteilbare Elektron sich durch beide Schlitze gleichzeitig bewegt haben muss. Was wir anhand des Musters messen, ist eine Überlagerung, eine Superposition, der beiden Zustände unten durch und oben durch.

Diese Superposition hat allerdings eine hässliche Eigenschaft, die - zumindest in Gedanken - schon zahlreiche Katzen das Leben gekostet hat.

Die Superposition und die Katze

Probehalber halten wir einfach den oberen Schlitz zu. Das Interferenzmuster verschwindet. Alle Elektronen treffen direkt hinter dem Loch auf den Detektor, sie fliegen in gerader Richtung, wie man es von einem Teilchen erwartet. Dasselbe passiert, wenn wir den unteren Durchlass schließen. Selbst wenn wir abwechselnd eines der beiden Löcher öffnen, kommen die Intensitäts-Maxima und -Minima auf dem Schirm nicht zustande. Durch unsere experimentelle Festlegung verhält sich das Elektron plötzlich wieder brav wie ein Teilchen und verzichtet auf die Interferenz.

Wie absurd die Superposition wirklich ist, wird noch deutlicher, wenn wir das zulassen, was die Forscher als delayed choice bezeichnen. Mit der verzögerten Wahl ist die Strategie gemeint, einen der beiden Durchlässe des Doppelspalt-Experiments zuzuhalten oder zu öffnen, nachdem (!) das Teilchen das Hindernis überwunden hat - aber bevor es auf dem Detektor erschienen ist. Das Ergebnis widerspricht auf den ersten Blick der Kausalität: Für das Entstehen oder Wegbleiben der Interferenz ist es unerheblich, wann genau wir die passenden Voraussetzungen geschaffen haben. Solange der Detektor noch nicht angesprochen hat, können wir das Ergebnis des Versuchs noch beeinflussen.

Statistik statt Determinismus

Woher kommt dieses seltsame Verhalten? Im Reich der Quanten lassen sich Teilchen durch eine sogenannte Wellenfunktion beschreiben. Diese ergibt sich, wenn man die Schrödinger-Gleichung, eine partielle Differentialgleichung, für das betreffende System löst. Sie beschreibt, wo wir das Teilchen dann in Wirklichkeit mit welcher Wahrscheinlichkeit antreffen. Der Determinismus von Newton wird also durch Statistik ersetzt.

Quantencomputer nutzen die Superposition, indem sie ihre Bits, die Qubits, viele verschiedene Werte gleichzeitig annehmen lassen - ein entscheidender Vorteil.

Ach ja, Sie machen sich wahrscheinlich noch Sorgen um die Katzen. Erwin Schrödinger, einer der Begründer der Quantentheorie, brachte sie ins Spiel, weil er selbst nicht sicher war, was für absurde Ideen er da gerade entwickelte. Das Problem, das Schrödinger sah, besteht im unbestreitbaren Einfluss der Messung auf das Ergebnis. Er stellte sich deshalb eine Katze in einer verschlossenen, nicht einsehbaren Kiste vor. Mit ihr eingesperrt eine Giftkapsel, die vom Zerfall eines radioaktiven Atoms ausgelöst wird, also zufällig. In welchem Zustand befindet sich die Katze? Aus Sicht der Quantentheorie in einer Überlagerung der beiden Zustände tot und lebendig. Sobald jedoch ein Beobachter die Kiste öffnet, zerstört er die Superposition und die Katze stirbt - oder sie überlebt.

2. Die Unschärfe

1927, ein Jahr nach Veröffentlichung der Schrödinger-Gleichung, stellte Werner Heisenberg die nach ihm benannte Unschärferelation vor. Sie lässt sich direkt aus der Schrödinger-Gleichung ableiten, aber das erspare ich Ihnen hier - diese Ausrede wirkt immer gut, um fehlende mathematische Übung zu entschuldigen. Heisenbergs Formel, nach der das Produkt aus den Unsicherheiten bei der Messung von Impuls und Ort eines Teilchens nie kleiner als ħ/2 werden kann, ist eine prinzipielle Eigenschaft der Quantenwelt, gegen die auch das genaueste Messinstrument nichts ausrichten kann. Solche Unschärferelationen gibt es für viele Messgrößen, nicht nur für Ort und Impuls. Sie gelten für all die Größen, bei denen es auf die Reihenfolge bei der Messung ankommt.

Spukhafte Fernwirkung

Bei der Konstruktion eines Quantencomputers kommt es wegen der Unschärferelation darauf an, die Messgrößen schlau zu wählen, die für bestimmte Ergebnisse stehen sollen. Der Tunneleffekt, der bei Mikroprozessoren genutzt wird, beruht im Grunde auf der Unschärferelation.

3. Die Verschränkung

Das Phänomen der Verschränkung hat Einstein besonders irritiert. Stellen Sie sich ein Würfelpaar vor, das ein Physiker vor Ihren Augen mit Physik-Magie behandelt. Dann gibt er Ihnen den einen Würfel und behält den anderen. Sie reisen auf den Mars, der Physiker bleibt auf der Erde. Doch wann immer Ihr Würfel eine gerade Zahl wirft, zeigt der Würfel des weit entfernten Physikers eine ungerade. Und zwar im selben Moment! Nicht erst nach ein paar Stunden, wenn die mit Lichtgeschwindigkeit von Ihnen zur Erde geschickte Nachricht dort eintrifft, in der Sie Ihr Ergebnis mitteilen.

Genau so funktioniert Verschränkung, die Physiker erfolgreich an Photonen, supraleitenden Schaltkreisen, Ionen, Atomen und großen Molekülen getestet haben. Den Rekord dafür hält ein internationales Forscherteam, das die Verschränkung von Photonen über eine Entfernung von 144 Kilometern nachweisen konnte. Einstein nannte das eine spukhafte Fernwirkung. In der Science Fiction nutzt man den Effekt gern für überlichtschnelle Kommunikation. Das Problem dabei ist nur, dass der Informationsgehalt einer solchen Sendung gleich null wäre - denn welchen Wert die verschränkten Teilchen annehmen, das ist leider stets blanker Zufall. Sie können vom Mars aus also weder 0 noch 1 senden, sondern nur einen zufälligen Wert. Das wäre anders, könnten Sie dem Empfänger auf anderem Weg mitteilen, was bei Ihnen passiert ist - aber dann ist doch wieder die Lichtgeschwindigkeit die Grenze.

Quantencomputer arbeiten mit Verschränkung

Echte Quantencomputer arbeiten direkt mit der Verschränkung, denn sie ist die zweite geheime Ingredienz für ihre unglaubliche Leistungsfähigkeit. Eine mathematische Operation wirkt immer gleichzeitig auf alle verschränkten Qubits des Quantencomputers. Sie haben also einen Rechner vor sich, der in einem Rechenschritt im selben Moment an einer großen Zahl von Qubits arbeiten kann, die wiederum dank Superposition zahlreiche Werte gleichzeitig annehmen.

Die Leistungsfähigkeit eines Quantencomputers hängt nachvollziehbarerweise direkt davon ab, wieviele verschränkte Qubits er enthält. Leider ist es praktisch nicht trivial, diese Verschränkung herzustellen und zu bewahren. Die Physiker machen hier nur allmähliche Fortschritte. Deshalb sind derzeit auch unechte Quantencomputer - wie etwa die Modelle, die die Firma D-Wave unter anderem an Google verkauft hat - ein interessantes Forschungsfeld. Sie arbeiten nur mit der Superposition und erreichen dadurch leichter eine hohe Zahl von Qubits. Sie sind allerdings, darüber sind sich die Forscher einig, nicht so leistungsfähig wie echte Quantencomputer. Was sie wirklich leisten, das versuchen Google & Co. gerade herauszubekommen.

"Ich hoffe", sagte Physik-Professor Feynman seinen Zuhörern, "Sie können die Natur einfach als das akzeptieren, was sie ist: absurd." Vermutlich fiele einem Mikro-Wesen, dessen Alltag die Welt der Quanten ist, das Verständnis unserer Realität genauso schwer. Wo und wie genau der Übergang zwischen beiden Welten stattfindet, die Dekohärenz, ist übrigens ein nach wie vor nicht endgültig geklärtes Problem. Das ist schade, denn es wäre absolut praktisch, mit einem Fahrrad durch den Berg tunneln zu können, wie es Elektronen schaffen, statt sich darüber hinwegzuquälen. Und die Quantencomputer-Konstrukteure hätten es ebenfalls einfacher, denn die unvermeidbare Dekohärenz gehört zu den schwierigsten Herausforderungen, vor denen sie stehen.

Die Quanten kommen: spannende Expertenvorträge und Paneldiskussionen rund um Quantencomputer, Quantennetzwerke, Quanten - und Postquantenverschlüsselung auf der ersten eigenen Golem.de-Konferenz am 23. Juni 2017 in Berlin. Jetzt Ticket sichern!  (mma)


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