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Ein Quantensprung für die Informationsverarbeitung

24.03.2010 - (idw) Julius-Maximilians-Universität Würzburg

In der Welt von Atomen und Elektronen gelten andere physikalische Gesetze als im Großen. Wissenschaftler wollen diese Gesetze unter anderem für neue Methoden zum Speichern und Austausch von Informationen nutzen. Würzburger Physiker liefern ihnen das dafür notwendige Material. Es ist eine merkwürdige Welt, hier im Bereich von Atomen und Molekülen: Materie nimmt die Eigenschaften von Wellen an. Im Gegenzug wird Licht, das der Laie als elektromagnetische Welle kennt, ein Produkt von Teilchen - den so genannten Photonen. Physikalische Eigenschaften existieren nur in festen Größenordnungen; Zwischenstufen kommen nicht vor.

Es ist dies die Welt der Quantenmechanik. Diese fundamentale Theorie der Physik, deren Anfänge signifikant von dem in Würzburg geborenen Werner Heisenberg mitgestaltet worden sind, beschreibt die Gesetze des Mikrokosmos und sorgt mit manchen von ihr vorhergesagten Effekten noch immer für Verblüffung.

Quanteneffekte für die Informationsverarbeitung

Diese Quanteneffekte wollen Physiker in Zukunft unter anderem im Bereich der Informationsverarbeitung nutzen. Ein neuer, international zusammengesetzter Forschungsverbund will dafür die Grundlagen schaffen. Daran beteiligt ist auch der Lehrstuhl für Technische Physik der Universität Würzburg. Die EU unterstützt das Projekt mit rund 2,2 Millionen Euro in den kommenden drei Jahren.

"Moderne Rechner werden immer leistungsfähiger - und immer kleiner. Je kleiner die Strukturen aber werden, desto deutlicher tritt die Geltung der Gesetze der Quantenmechanik hervor", erklärt Sven Höfling. Der Physiker ist Gruppenleiter am Lehrstuhl für Technische Physik der Universität Würzburg. Gemeinsam mit Professor Lukas Worschech, dem Leiter des Lehrstuhls, ist er verantwortlich für den Würzburger Beitrag zu dem Forschungsverbund.

Wenn also die Abmessungen der elektronischen Bauteile ohnehin in quantenrelevante Größenordnungen vordringen, biete es sich an, deren Gesetze für eine neue Form der Informationsverarbeitung zu nutzen, so Höfling weiter.

Unendliche viele Möglichkeiten, Informationen zu speichern

"Ein heutiger PC verarbeitet Information rein digital. Das heißt: Er kennt nur die Zustände 1 und 0 beziehungsweise 'Strom fließt' oder 'Strom fließt nicht'", erklärt Lukas Worschech. Andere Möglichkeiten eröffnet die Quantenmechanik: "Informationen lassen sich auf atomarer Ebene mit Zuständen verbinden, die untereinander verschränkt sind", so Worschech.

Auch mehrere Informationseinheiten können in einen Quantenzustand gepackt und getrennt voneinander bearbeitet werden. Dann sind im Prinzip unendlich viele Mischzustände denkbar und dementsprechend viele Möglichkeiten, Informationen aufzubereiten. "Quanten-Informationsverarbeitung", heißt dieser Forschungsbereich.

Ein gigantischer Parallelrechner

Wer das Prinzip verstehen will, muss sich aus seiner makroskopischen Gedankenwelt verabschieden. Denn dann sind beispielsweise Elektronenzustände denkbar, bei denen sich das Teilchen in mehreren Zuständen gleichzeitig befindet. Diese so genannte Superposition wird von Quantenrechnern genutzt. Herkömmliche Rechner hingegen speichern ihre Informationen in Sequenzen, die nacheinander ausgelesen und verarbeitet werden.

Ein Quantencomputer kann das besser: Er produziert eine Überlagerung von Zuständen. Während ein klassisches Bit genau eines von zwei Zuständen einnimmt, kann das Quantenbit sich gleichzeitig in beiden befinden, bevor eine Messung vorgenommen wird. Weil jede Veränderung sich auf die Zustände des Gesamtsystems gleichzeitig auswirkt, arbeitet der Quantencomputer wie ein gewaltiger Parallelrechner und schafft so bisher unerreichte Rechenmöglichkeiten.

Informationspäckchen in der Quantenwelt

Statt auf Elektronen setzen die Physiker für ihre Quantenrechner auf Lichtteilchen, so genannte Photonen. "Photonen sind ein idealer quantenmechanischer Informationsträger", sagt Sven Höfling. Der Informationsgehalt der Teilchen unterliegt so gut wie keinen Störeinflüssen, die Teilchen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit, sind einfach zu manipulieren und zu registrieren.

Der Informationstransport mit einzelnen Lichtteilchen funktioniert schon heute. "Allerdings sind dafür große Messaufbauten im Labor notwendig", sagt Höfling. An diesem Punkt setzt der neue Forschungsverbund an: "Wir wollen die Technik, für die zur Zeit noch ein ganzes Labor benötigt wird, auf einem einzigen kleinen Chip unterbringen", sagt der Physiker.

Künstliche Atome, die von den Würzburger Forschern in ihren Reinräumen im Mikrostrukturlabor hergestellt werden, dienen als Photonenquelle. Der Transport der Lichtteilchen läuft über winzige Wellenleiter, an deren Ende integrierte Detektoren diese wieder messen.

Der Quantensprung in der Rechnerentwicklung

"Wenn es gelingt, die ganzen Funktionen in der Größenordnung eines einzelnen Mikrochips zu realisieren, bedeutet das für die Informationsverarbeitung einen sprichwörtlichen Quantensprung in der Entwicklung", sagt Höfling. Der angestrebte Paradigmenwechsel sei annähernd vergleichbar mit dem Wechsel von der Röhre zum Transistor in der Frühzeit der Computer - also vom Rechner, der ganze Hallen füllte, hin zum PC, der auf jedem Schreibtisch Platz findet.

Diese Miniaturisierung und daraus folgende Integration vieler Funktionen hat die breite Nutzung der klassischen Informationsverarbeitung in der Gesellschaft ermöglicht. "Für die Quanteninformationsverarbeitung müssen ähnliche anwendungsfreundliche Plattformen erst noch gefunden werden. Der angestrebte Mikrochip ist ein wichtiger Schritt in dieser Richtung", so Höfling.

Drei Jahre hat der Forschungsverbund "Quantip" nun Zeit, seinen Quanten-Chip zu entwickeln. Die Erfahrung und das Knowhow dafür bringen die beteiligten Forschungseinrichtungen jedenfalls mit. Glaubt Höfling an den Erfolg des Vorhabens? "Ich bin zuversichtlich", sagt er. Natürlich: Die Schwierigkeiten ihres Vorhabens sind allen Beteiligten bewusst. "Aber das ist häufig in der angewandten Physik der Fall: Wenn etwas nicht funktioniert, eröffnen sich andere Wege. Und Lösungen sehen dann anders aus als ursprünglich gedacht", sagt Höfling, "aber sie lassen sich oft finden". Sollte das auch in diesem Projekt so laufen, wäre das auf jeden Fall "ein Riesendurchbruch."

"Quantip - Quantum integrated photonics" lautet der offizielle Name des Forschungsverbunds. Die Koordination hat Mark Thompson von der University of Bristol. Weiter sind daran beteiligt Forschungseinrichtungen und Universitäten in Australien, Deutschland, Frankreich, Italien und den Niederlanden.

Kontakt:
Prof. Dr. Lukas Worschech, T: (0931) 31-85813, E-Mail: lukas.worschech@physik.uni-wuerzburg.de

Sven Höfling, T: (0931) 31-83613, E-Mail: sven.hoefling@physik.uni-wuerzburg.de

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