You know this is kind of our playground here, we're trying to do experiments...
"Das hier ist unsere Spielwiese", erklärt David Wineland vom amerikanischen National Institute for Standards and Technology in Boulder. Das Labor, in dem er und seine Kollegen arbeiten, ist groß wie eine Autowerkstatt. Allerdings passen die unzähligen kleinen Werkzeuge und Bauteile, die hier auf großen, lang gestreckten Tischen liegen, eher in einen feinmechanischen Betrieb. Unzählige Justierschrauben, feine Kabel und winzige Spiegel, die Laserlicht umlenken. Auf diesen Tischen spielen Physiker - und erforschen die Grundlagen des Quantencomputers der Zukunft. Ein Quantencomputer nutzt die seltsamen Gesetze, die für Atome und ihre Bestandteile gelten, um bestimmte mathematische Rechnungen ganz anders und viel schneller ausführen zu können als herkömmliche Computer. Statt mit den klassischen Bits, die entweder die Information "Null" oder "Eins" beinhalten, arbeiten Quantencomputer mit Qubits: Qubits können alle Zahlen zwischen 0 und 1 beinhalten. Und: mit ihnen lassen sich viele Rechenoperationen gleichzeitig ausführen. Wineland speichert solche Qubits in einzelnen Beryllium-Ionen, die er in so genannten Teilchenfallen mit Magnetfeldern gefangen hält. Der Vorteil dieser Methode: die Ionen schweben in den Magnetfeldern, haben keinen Kontakt zu ihrer Umwelt und speichern so die Qubit-Information über relativ lange Zeiträume. Bislang galt es jedoch als schwierig, diese Information aus dem gefangenen Ionen wieder auszulesen und weiterzuverarbeiten. Wineland und Kollegen ist dieses Kunststück nun gelungen. Sie nutzen hierfür einen weiteren seltsamen Quanten-Trick: Die Teleportation. Wineland:
Die Teleportation ist schon in vielen vorangegangen Experimenten demonstriert worden, als erstes mit Lichtstrahlen, beziehungsweise mit Lichtteilchen. Wir haben nun zeigen können, dass man auch Qubits teleportieren kann. Sender und Empfänger dieser Nachricht sind jeweils gefangene Ionen, die an verschiedenen Orten sitzen. Wir haben hier also über eine feste räumliche Entfernung hinweg kommuniziert.
Diese Kommunikation von einem Ort zum anderen mittels Teleportation funktioniert mit Hilfe der so genannte "Verschränkung" von Teilchen. Nach dem Regeln der Quantentheorie ist es möglich, zwei Teilchen so miteinander zu verknüpfen, dass sie auch über große Entfernungen noch genau wissen, was das andere tut. Erhält das eine Teilchen eine Information, so weiß im gleichen Moment auch das andere Bescheid - unabhängig davon, wo es sich befindet. Mit Hilfe dieser Telepathie der Teilchen lassen sich auch physikalische Systeme von einem Ort zum anderen "beamen": Denn wenn es gelingt, alle Eigenschaften eines Systems weiterzugeben an ein anderes System, das sich an einem anderen Ort befindet und zwar so, dass es nicht mehr vom ursprünglichen zu unterscheiden ist - so hat man es komplett teleportiert. Das Besondere an der Teleportation von Qubits in Ionenfallen ist nun, dass sie in Winelands Labor praktisch "auf Knopfdruck" funktioniert. Im Gegensatz zu den vorherigen Experimenten haben er und seine Kollegen zeigen können, dass diese neue Datenübertragungstechnik recht verlässlich ist. Das nächste Ziel der Physiker ist es, möglichst viele kleine Ionenfallen auf engem Raum zu integrieren. Mit Hilfe von wechselnden Magnetfeldern, wollen sie dann einzelne Ionen flexibel hin- und herbewegen - und quantenlogisch verschalten. Wineland:
Die Grundidee wäre, dass wir in so einem System "Speicherzonen" und "Prozesszonen" hätten. Wir würden also Ionen, mit denen wir quantenlogisch schalten wollen zunächst in die Prozesszone bewegen, und nach dem Schalten würden wir sie zurück in den Speicher schieben. Wenn es uns gelingt, eine kleine Schalteinheit dieser Art zu bauen - dann können wir das Ganze hoch skalieren.
Der Quantencomputer der Zukunft könnte also aus sehr vielen kleinen Schalteinheiten bestehen, die mit vielen beweglichen Ionen arbeiten, zwischen denen in großer Zahl Qubits hin- und her geschaltet werden. - Doch trotz der jetzt erzielten Fortschritte wird diese neue Quanteninformationstechnik auf absehbare Zeit eine Spielwiese für Physiker bleiben.
"Das hier ist unsere Spielwiese", erklärt David Wineland vom amerikanischen National Institute for Standards and Technology in Boulder. Das Labor, in dem er und seine Kollegen arbeiten, ist groß wie eine Autowerkstatt. Allerdings passen die unzähligen kleinen Werkzeuge und Bauteile, die hier auf großen, lang gestreckten Tischen liegen, eher in einen feinmechanischen Betrieb. Unzählige Justierschrauben, feine Kabel und winzige Spiegel, die Laserlicht umlenken. Auf diesen Tischen spielen Physiker - und erforschen die Grundlagen des Quantencomputers der Zukunft. Ein Quantencomputer nutzt die seltsamen Gesetze, die für Atome und ihre Bestandteile gelten, um bestimmte mathematische Rechnungen ganz anders und viel schneller ausführen zu können als herkömmliche Computer. Statt mit den klassischen Bits, die entweder die Information "Null" oder "Eins" beinhalten, arbeiten Quantencomputer mit Qubits: Qubits können alle Zahlen zwischen 0 und 1 beinhalten. Und: mit ihnen lassen sich viele Rechenoperationen gleichzeitig ausführen. Wineland speichert solche Qubits in einzelnen Beryllium-Ionen, die er in so genannten Teilchenfallen mit Magnetfeldern gefangen hält. Der Vorteil dieser Methode: die Ionen schweben in den Magnetfeldern, haben keinen Kontakt zu ihrer Umwelt und speichern so die Qubit-Information über relativ lange Zeiträume. Bislang galt es jedoch als schwierig, diese Information aus dem gefangenen Ionen wieder auszulesen und weiterzuverarbeiten. Wineland und Kollegen ist dieses Kunststück nun gelungen. Sie nutzen hierfür einen weiteren seltsamen Quanten-Trick: Die Teleportation. Wineland:
Die Teleportation ist schon in vielen vorangegangen Experimenten demonstriert worden, als erstes mit Lichtstrahlen, beziehungsweise mit Lichtteilchen. Wir haben nun zeigen können, dass man auch Qubits teleportieren kann. Sender und Empfänger dieser Nachricht sind jeweils gefangene Ionen, die an verschiedenen Orten sitzen. Wir haben hier also über eine feste räumliche Entfernung hinweg kommuniziert.
Diese Kommunikation von einem Ort zum anderen mittels Teleportation funktioniert mit Hilfe der so genannte "Verschränkung" von Teilchen. Nach dem Regeln der Quantentheorie ist es möglich, zwei Teilchen so miteinander zu verknüpfen, dass sie auch über große Entfernungen noch genau wissen, was das andere tut. Erhält das eine Teilchen eine Information, so weiß im gleichen Moment auch das andere Bescheid - unabhängig davon, wo es sich befindet. Mit Hilfe dieser Telepathie der Teilchen lassen sich auch physikalische Systeme von einem Ort zum anderen "beamen": Denn wenn es gelingt, alle Eigenschaften eines Systems weiterzugeben an ein anderes System, das sich an einem anderen Ort befindet und zwar so, dass es nicht mehr vom ursprünglichen zu unterscheiden ist - so hat man es komplett teleportiert. Das Besondere an der Teleportation von Qubits in Ionenfallen ist nun, dass sie in Winelands Labor praktisch "auf Knopfdruck" funktioniert. Im Gegensatz zu den vorherigen Experimenten haben er und seine Kollegen zeigen können, dass diese neue Datenübertragungstechnik recht verlässlich ist. Das nächste Ziel der Physiker ist es, möglichst viele kleine Ionenfallen auf engem Raum zu integrieren. Mit Hilfe von wechselnden Magnetfeldern, wollen sie dann einzelne Ionen flexibel hin- und herbewegen - und quantenlogisch verschalten. Wineland:
Die Grundidee wäre, dass wir in so einem System "Speicherzonen" und "Prozesszonen" hätten. Wir würden also Ionen, mit denen wir quantenlogisch schalten wollen zunächst in die Prozesszone bewegen, und nach dem Schalten würden wir sie zurück in den Speicher schieben. Wenn es uns gelingt, eine kleine Schalteinheit dieser Art zu bauen - dann können wir das Ganze hoch skalieren.
Der Quantencomputer der Zukunft könnte also aus sehr vielen kleinen Schalteinheiten bestehen, die mit vielen beweglichen Ionen arbeiten, zwischen denen in großer Zahl Qubits hin- und her geschaltet werden. - Doch trotz der jetzt erzielten Fortschritte wird diese neue Quanteninformationstechnik auf absehbare Zeit eine Spielwiese für Physiker bleiben.