Gesundheit: Der Spuk in Einsteins Kopf

„Mr. Beam“ hat ein Buch geschrieben. Ein Buch über Quanten-Computer, Quanten-Verschlüsselung – und über Quanten-Teleportation, jene mysteriöse Art der Informationsübermittlung, die Anton Zeilinger berühmt gemacht hat. Sie hat ihm den Spitznamen „Mr. Beam“ eingehandelt. Denn der Physiker hat an der Universität Wien in Experimenten gezeigt, dass Informationen von einem Ort zum anderen „gebeamt“ werden können, ohne dass es ein Übertragungsmedium gäbe. Die Eigenschaften eines Lichtteilchens gehen augenblicklich auf die eines weit entfernten Partners über.

Albert Einstein wollte an eine derart „spukhafte Fernwirkung“ nicht glauben. Und bei der Lektüre von Zeilingers soeben erschienenem Buch „Einsteins Schleier" kann man sich in vielen Passagen des Eindrucks nicht erwehren, dass hier ein Dialog mit dem Meister geführt wird. Ein anspruchsvoller Dialog, in dem es dem Leser zwar so einfach wie möglich gemacht werden soll. „Aber nicht einfacher“, wie Einstein zu sagen pflegte.

Das Buch ist jedem zu empfehlen, der an der Geschichte der Quantenphysik und Betrachtungen der Kausalität und des Zufalls interessiert ist. Und es liegt ganz im Trend der Zeit. Quantenphysik ist „in“. Das war auch bei der Jahrestagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft in Hannover zu sehen. Dort gab es so viele Fachsitzungen zur Quantenphysik wie zu keinem anderen Thema.

„Das Gebiet boomt“, sagte auch Gerhard Rempe, Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching. „Plötzlich wollen alle Quanteninformations-Technologie studieren.“ Worüber sich früher nur ein erlauchter Kreis von Denkern um Einstein und Bohr den Kopf zerbrach, das können Zeilinger, Rempe und Co heute im Experiment testen.

Geheimnisvolle Welt

„Es ist eine geheimnisvolle Welt, in die wir da hineinschauen“, sagte Rempe. Aber insbesondere junge Forscher könnten in dem Wissenschaftszweig schnell Fuß fassen und einen eigenen Forschungsbeitrag leisten.

Für die Experimentatoren geht es derzeit vor allem darum, Schnittstellen zwischen unserer Alltagswelt und dem Mikrokosmos der Quanten zu schaffen. Licht besteht aus unzähligen solchen Quanten: aus kleinen, unteilbaren Energiepaketen. Und es sind einzelne Atome, die diese Energieportionen, die Lichtquanten, aussenden. Das einmal entstandene Lichtquant enthält daher immer auch die Information über den Energiezustand des Mutteratoms. Es kann diese Information – etwa über ein Glasfaserkabel – an einen anderen Ort bringen und dort zum Beispiel an ein anderes Atom weitergeben. Dieses Atom nimmt dann die Energie des Lichtteilchens auf und speichert die Information.

Physiker träumen davon, Systeme aus wenigen Atomen für den Austausch von Daten oder für Computerberechnungen zu benutzen. Aber Atome sind Sensibelchen. Wenn sie zusammenstoßen, geht die gespeicherte Information rasch verloren. Was normalerweise sehr oft passiert, unter anderem weil es so viele Atome gibt. Die Zeitung in Ihren Händen beispielsweise besteht aus rund 10000000000000000000000000 Atomen.

In Hannover drehte sich vieles um neue Techniken, einzelne Atome zu bändigen: sie in geeignete Fallen einzusperren, sie zu kühlen, damit sie nicht durcheinander wirbeln, sie mit Licht zu präparieren und Informationen über ihre Energiezustände aus ihnen auszulesen.

Ein Beispiel für die neuesten Fortschritte im feinfühligen Umgang mit der Quantenwelt ist eine Lichtquelle, die auf Knopfdruck ein einziges Lichtteilchen erzeugt. Rempe und sein Forscherteam haben eine solch heikle Apparatur gebaut. Sie haben Atome mit Hilfe von Lasern gekühlt und ein einzelnes Atom dazu gebracht, im geeigneten Moment ein Lichquant auszusenden, um dieses Lichtquant zwischen zwei Spiegeln einzufangen. Es läuft zwischen ihnen einige 100 000 Male hin und her und wird gespeichert – dank extrem gut polierter Spiegeloberflächen, wie es sie erst seit kurzem gibt. Für weitere Anwendungen kann das Lichtteilchen dann wieder freigelassen werden.

Absolut sichere Verschlüsselung

Rempes Kollege Ignacio Cirac, einer der Pioniere auf dem Gebiet, forscht derweil am Quantencomputer. Er erläuterte, wie sich Informationen in Quantenbits übersetzen lassen (siehe Infokasten unten). Solche Quantenbits enthalten mehr Information als die Bits eines herkömmlichen PCs. „Der Quantencomputer eröffnet damit mehr Möglichkeiten als ein klassischer Computer“, sagte Cirac. Mit ihm könne man gängige Verschlüsselungsverfahren überlisten, absolut sichere Datenübertragungssysteme kreieren oder Namen in Telefonbüchern im Handumdrehen finden, wenn nur die Nummer bekannt ist.

Eine in Hannover viel diskutierte Möglichkeit, den Quantencomputer zu realisieren, besteht darin, einzelne, elektrisch geladene Atome (Ionen) in einem elektromagnetischen Feld einzufangen und gut von der Außenwelt abzuschirmen. Den Energiezuständen dieser Atome entsprechen dann einzelne Quantenbits. Sie lassen sich mit Hilfe von Laserlicht kontrolliert manipulieren.

Für einen „nützlichen“ Quantencomputer genügen schon 30 Ionen. „Aber je mehr Ionen man in die Falle steckt, desto schwieriger ist es, ein einzelnes von ihnen anzusprechen, ohne die anderen zu beeinflussen“, sagte Cirac. Er ist zwar zuversichtlich, dieses Problem umschiffen zu können. Aber es kann auch sein, dass Rempes Verfahren das Rennen um den Quantencomputer machen wird oder sich eine andere Methode, etwa die Kernspinresonanz, durchsetzt.

Anton Zeilinger wartet bereits auf die ersten relevanten Ergebnisse, die ein Quantencomputer ausspuckt. „Mr. Beam“ hat schon eine Methode parat, diese Resultate völlig abhörsicher in alle Welt zu verbreiten: via Teleportation.

Weiterführende Literatur:

Anton Zeilinger: „Einsteins Schleier – Die neue Welt der Quantenphysik“, C.H. Beck Verlag, 237 Seiten, 19 Euro 90.

Jürgen Audretsch (Hrsg): „Verschränkte Welt – Faszination der Quanten“, Wiley- VCH Verlag, 222 Seiten, 24 Euro 90.