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R&M Fachmagazin CONNECTIONS no. 53
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oder auch neue Wunderstoffe wie «Graphen»<br />
(Nobelpreis 2010), auf denen zukünftig eine<br />
noch viel leistungsfähigere Elektronik aufbauen<br />
könnte.<br />
Neue Quantentechnologien könnten uns<br />
zuletzt aber auch den Weg zur Umsetzung<br />
zweier von niemand Geringerem als Richard<br />
Feynman ausgesprochenen technologischen<br />
Visionen eröffnen: erstens, dass es technisch<br />
möglich sein sollte, individuelle Atome zu manipulieren<br />
(Feynman 1959). Wir bezeichnen<br />
diese Entwicklung heute als «Nano-Technologie»,<br />
von vielen Techno-Advokaten bereits<br />
als eine der aufregendsten Zukunftstechnologien<br />
deklariert. Zweitens die vielleicht<br />
noch packendere Vision eines sogenannten<br />
«Quantencomputers» (Feynman 1981). Dieser<br />
vermag auf zahlreichen Quantenzuständen,<br />
sogenannten «Quantenbits» (Qubits), parallel<br />
zu rechnen, anstatt wie klassische Computer<br />
Informationen Bit für Bit zu verarbeiten. Mit<br />
seiner Hilfe liessen sich Probleme lösen, die für<br />
die heute in Physik, Biologie, Wetterforschung<br />
und anderswo eingesetzten Supercomputer<br />
noch bei Weitem zu komplex sind.<br />
Hochgradig interessante<br />
Zusammenhänge<br />
Konkret beruhen Quantencomputer auf dem<br />
Phänomen der Verschränkung, dem wohl<br />
bizarrsten Phänomen in der Quantenwelt:<br />
Eine Anzahl von Quantenteilchen lassen sich<br />
in einen Zustand bringen, in dem sie sich so<br />
verhalten, als wären sie mit einer Geisterhand<br />
aneinandergekoppelt, auch wenn sie räumlich<br />
weit voneinander entfernt sind. Jedes<br />
Teilchen weiss sozusagen, was die anderen<br />
gerade treiben. Sie gehören allesamt einer<br />
gemeinsamen physikalischen Entität (die<br />
Physiker bezeichnen dies als Wellenfunktion)<br />
an. Zwischen den Teilchen besteht dann eine<br />
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Korrelation, die eine instantane Vorhersage<br />
darüber erlaubt, welcher Zustand bei dem<br />
einen Teilchen realisiert ist, wenn man das<br />
andere gemessen hat. Auch dann, wenn viele<br />
Kilometer zwischen ihnen liegen. Es ist so, als<br />
wenn jemand in Deutschland instantan spüren<br />
würde, was seinem Zwilling in Australien<br />
gerade passiert.<br />
Mit einem solchen Ensemble von verschränkten<br />
Qubits können die Physiker, so erhoffen<br />
sie sich, auf allen möglichen seiner Zustände<br />
simultan operieren. Während ein normaler<br />
Computer all die Bits in vielen, vielen Schritten<br />
hintereinander bearbeiten, d.h. von jeweils 0<br />
auf 1 bzw. von 1 auf 0 umlegen muss, kann<br />
ein Quantencomputer alle diese Schritte mit<br />
einem Mal verarbeiten. Diese hochgradige<br />
Parallelisierung der Operationen erhöht die<br />
Rechenleistung des Computers exponentiell<br />
mit der Anzahl der Qubits, im Gegensatz zu<br />
einem klassischen, sequenziell arbeitenden<br />
Computer, dessen Rechenleistung nur linear<br />
mit der Anzahl der verfügbaren Rechenbausteine<br />
ansteigt.<br />
Eine weitere neue Quantentechnologie<br />
sorgt schliesslich für eine effiziente und<br />
störungsfreie Übertragung von Qubits: die<br />
Quanten-Teleportation, also der Transport<br />
von Qubits zwischen zwei Orten. Grundlage<br />
dieser Technologie ist, dass zwei Quantenteilchen<br />
(z.B. Photonen) zu einem gemeinsamen<br />
quantenphysikalischen Zustand verschränkt<br />
und anschliessend räumlich getrennt werden,<br />
ohne dass dabei ihr gemeinsamer Zustand<br />
zerstört wird. Eines der Teilchen wird zum<br />
Empfänger gesendet, das andere wird beim<br />
Sender mit der zu teleportierenden (Quanten-)Information<br />
(Qubit) überlagert. Durch<br />
eine Messung am Sender bestimmt sich nach<br />
den Gesetzen der Quantenphysik automatisch<br />
und augenblicklich auch der Zustand<br />
des entfernten verschränkten Teilchens, ohne<br />
dass zwischen beiden irgendeine direkte<br />
Interaktion stattfindet. Das Ergebnis dieser<br />
Messung wird dann konventionell an den<br />
Empfänger übertragen. Mit dieser Information<br />
kann dessen Qubit dann so transformiert<br />
werden, dass es den gleichen Zustand wie das<br />
Sender-Qubit besitzt. Auf diese Weise wurde<br />
die gewünschte (Quanten-)Information vom<br />
Sender zum Empfänger gebracht, ohne dass<br />
das Teilchen dabei physisch transportiert<br />
wurde. Mit Quanten-Teleportation scheint<br />
neben dem Quantencomputer auch das<br />
«Quanteninternet» zum Greifen nah zu sein.<br />
Hadern die meisten von uns noch mit den erkenntnistheoretischen<br />
und philosophischen<br />
Implikationen der Quantenphysik, so sollten<br />
wir zugleich gut auf ihr weiterhin beispiellos<br />
revolutionäres technologisches Zukunftspotenzial<br />
achten. Denn das Verständnis der<br />
neuen Quantentechnologien eröffnet uns<br />
einen Blick in die Ferne – in eine Zukunft,<br />
die uns schon sehr bald bevorsteht.<br />
090.7272<br />
Olga René Tysyachnyuk Eichenberger<br />
| Project Manager<br />
Synergia Head of Corporate SE, Ukraine<br />
Communications<br />
olga.tysyachnuk@synergia.ua<br />
rene.eichenberger@rdm.com<br />
050.6522<br />
<strong>CONNECTIONS</strong> 10I2017–<strong>53</strong><br />
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