Lade Inhalte...

Oberösterreich

Die geheime Welt der Quanten

27. August 2011

Die geheime Welt der Quanten
In einigen Jahren könnte die Quantenkryptographie satellitengestützt funktionieren. Verschränkte Photonen könnten von der Internationalen Raumstation an weit entfernte Orte auf der Erde geschickt werden.

Eigentlich sind sie nicht zu fassen – die von den Quantenphysikern entwickelten Vorstellungen über die Natur. Und doch treffen sie zu. Wie würde sonst die Quantenkryptographie funktionieren, oder der Quantencomputer?

Damit sind wir mitten in der Quanteninformation, über deren Grundlagen und technologische Möglichkeiten der Theoretische Quantenphysiker Johannes Kofler (31) vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Akademie der Wissenschaften diese Woche im Ars Electronica Center Linz berichtete.

Kofler erläuterte die quantenmechanischen Eigenschaften wie Zufälligkeit, Superposition und Verschränkung und zeigte, wie sie genützt werden können, um bestimmte Aufgaben zu lösen, die man mit herkömmlicher Informationsverarbeitung entweder gar nicht oder nur sehr mangelhaft bewältigen kann.

Ein Spezialgebiet des Linzers, der bei Anton Zeilinger als PostDoc arbeitet und im November ans renommierte Max Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München wechseln wird, ist die Quantenkryptographie.

Von Sparta gelernt

Kryptographie ist die Verschlüsselung von Informationen. „Das älteste bekannte Verfahren wendeten die antiken Spartaner an“, berichtete Kofler. Sie benutzten einen Holzstab mit einem bestimmten Durchmesser. Wendelförmig wurde um den Stab ein Band gewickelt, dann wurde längs des Stabes die Botschaft daraufgeschrieben. Das Band ohne den Stab erhielt der Empfänger. Auf einem Stab von identischem Durchmesser konnte er dann die scheinbar willkürlich angeordneten Buchstaben decodieren.

In der Quantenmechanik wird zur abhörsicheren Verschlüsselung nun nicht ein feststehender Kodiermechanismus weitergegeben, sondern die Information darüber, wie eine Botschaft zu verschlüsseln und dann zu lesen ist, wird an zwei entfernten Orten zufällig und dennoch identisch erzeugt. Das geht nur mit verschränkten Teilchen.

Dazu verwendet man Photonen: Wird im Labor blaues, kurzwelliges Laserlicht auf einen speziellen Kristall gestrahlt, so zerfällt jedes einzelne Photon in zwei langwellige, rote Photonen, die miteinander verschränkt sind. Misst man die Schwingungsrichtung des einen Teilchens und erhält man ein bestimmtes, zufälliges Resultat, so hat auch das andere Teilchen dasselbe Resultat, wenn man es entlang der selben Richtung misst.

Von jedem der verschränkten Paare wird jeweils ein Teilchen an die beiden Kommunikationspartner geschickt. Beide Partner schränken nun die Zustandsalternativen der Teilchen ein: Jeder lässt sie nach dem Zufallsprinzip durch einen bestimmten Filter (= Polarisator) fliegen. Der eine Filter lässt nur Teilchen durch, die horizontal oder vertikal ausgerichtet sind, der andere nur solche, die eine Schräglage nach rechts (diagonal) oder links (antidiagonal) aufweisen.

Danach müssen sich Sender und Empfänger nur mitteilen, an welchem Teilchen sie welche Messung gemacht haben (entweder horizontal/vertikal oder diagonal/antidiagonal), nicht aber, was dabei jeweils konkret herausgekommen ist (z. B. vertikal oder diagonal). Diese Kommunikation kann öffentlich geschehen. Für gut die Hälfte der Teilchenpaare haben sie die gleiche Messung gewählt und die lokal zufälligen, aber perfekt korrelierten Ergebnisse sind der geheime identische Code, den sie dann zur Ver- bzw. Entschlüsselung ihrer Geheimnachrichten nutzen können.

Quantencomputer

Quantencomputer arbeiten mit „Quantenbits“, das sind Überlagerungszustände von „0“ und „1“. Diese Bits können durch Polarisation von Lichtteilchen repräsentiert werden, oder durch Ionen (= elektrisch geladene Atome), wobei der Grundzustand der Energie „0“ und der angeregte Zustand „1“ wäre. Entscheidend ist nun, dass man diese Quantenbits beliebig manipulieren und miteinander verschränken kann.

„So lassen sich bestimmte Probleme wie das Zerlegen einer Zahl in ihre Faktoren und das Suchen eines markierten Elements in einer Datenbank schneller lösen, als es jeder klassische Computer jemals könnte“, sagte Kofler. Denn der Quantencomputer macht es, bildlich gesprochen, möglich, dass man sich pro Rechenschritt mehrere Alternativen gleichzeitig anschaut und sie daher viel rascher durchprobiert.

Gebrochene Wirklichkeit

In seiner Dissertation bei Caslav Brukner in der Gruppe von Professor Zeilinger hat sich Kofler mit der Frage beschäftigt, warum die Zufallseigenschaften der Quantenwelt im Alltag keine Rolle spielen und wie die klassische Physik aus der Quantenphysik hervorgeht: „Typischerweise diffundieren die Quanteneigenschaften der atomaren Teilchen in die Umgebung und gehen so verloren.“ Aber allein schon die Tatsache, dass wir normalerweise nur grobkörnige Messungen machen, reiche aus, um in vielen Fällen die klassische Welt als Grenzfall der Quantenwelt herauszubekommen.

Lädt
turned_in

info Mit dem Klick auf das Icon fügen Sie das Schlagwort zu Ihren Themen hinzu.

turned_in

info Mit dem Klick auf das Icon öffnen Sie Ihre "meine Themen" Seite. Sie haben von 15 Schlagworten gespeichert und müssten Schlagworte entfernen.

turned_in

info Mit dem Klick auf das Icon entfernen Sie das Schlagwort aus Ihren Themen.

turned_in

Fügen Sie das Thema zu Ihren Themen hinzu.

mehr aus Oberösterreich

0  Kommentare expand_more 0  Kommentare expand_less