Hier geht´s zu allen Teilen der Serie: Teil 1 – Teil 2 – Teil 3 – Teil 4 – Teil 5 – Teil 6 – Teil 7

Die Grundlage des Quantencomputers ist die Quantenmechanik. Und dass die Quantenmechanik schwer zu verstehen ist, darin sind sich beinahe alle einig. Ich will hier nicht behaupten, dass ich mit dem Konzept hundertprozentig vertraut bin, aber durch den Konsum diverser Publikationen fühle ich mich bereit, hier eine (hoffentlich) verständliche und nachvollziehbare Darstellung zu liefern.

Theoretische Grundlage

In der klassischen Physik ist ein Teilchen, und demnach alles, was aus Teilchen aufgebaut, in einem bestimmten und damit eindeutigen Zustand. In der Quantenphysik ist dieser Umstand, der uns auch in unserem Alltag begegnet, jedoch vollkommen anders. Es wird davon ausgegangen, dass ein Teilchen nicht nur einen, oder einen zweiten Zustand, sondern unendlich viele Zustände hat. Diesen Umstand nennt man Superposition.

Die nahe liegende Frage, weshalb man annehmen sollte, dass ein Teilchen nicht nur hier sondern im Prinzip überall zugleich und auch mal nirgends ist, beantwortet sich, wenn man folgendes Dokument gelesen oder dieses Video gesehen hat. Dort wird detaillierter und in verständlicher Art und Weise auf das grundlegende Experiment eingegangen, das diese Fragen erstmals aufgeworfen hat – Das Doppelspaltexperiment.  Es wurde schon im Jahre 1802 von Thomas Young durchgeführt, und sollte eigentlich die Wellentheorie des Lichts beweisen.

Das Doppelspaltexperiment

Im Experiment werden einzelne Photonen auf einen Detektor abgefeuert. Zwischen dem Detektor und der Maschine, die die Photonen abfeuert, liegt eine Wand. Diese Wand hat zwei nebeneinander liegende Schlitze. Die Photonen fliegen also durch die Schlitze und treffen am Detektor, den man sich wie eine Leinwand vorstellen kann, auf.

Wenn man nun lange genug feuert, wird auf unserer „Leinwand“, dem Detektor, ein Muster sichtbar. Dieses Muster nennt man Interferenzmuster, weil es aussieht, als ob die Photonen ein Wellenmuster bilden. So kam man auch auf die Idee, dass Licht sich wie Wellen verhält, also eigentlich kein Teilchen sei.

Als man nun wieder eine zeit lang Photonen abschoss, aber überprüfte, durch welchen der beiden Schlitze auf der Trennwand das Licht, die Photonen, eigentlich wanderten, stellte man fest: das Muster, das sich auf der Leinwand (Detektor) bildete, unterschied sich von dem Muster, das sich im ersten Teil des Versuches gebildet hatte. Plötzlich war kein Interferenzmuster zu sehen, sondern lediglich zwei strichförmig angeordnete Flächen.

Die Überraschung

Das hat natürlich alle überrascht. Kurz gesagt lieferte das Experiment nicht unbedingt den Ausgang den man sich erwartet hatte. Um sich diese widersprüchlichen Ergebnisse des Experimentes zu erklären, hat man schlussendlich die Theorie entwickelt, dass ein Teilchen unendlich viele Zustände haben kann, die erst festgelegt werden, wenn man sie beobachtet.

Erwähnenswert finde ich an dieser Stelle, dass das Doppelspaltexperiment nicht nur mit Photonen, sonder auch mit Atomen und sogar ganzen Molekülen durchgeführt wurde und wird. Und das Ergebnis, vielmehr die Ergebnisse, jedesmal nachgewiesen werden konnten. Das wird jedenfalls gelehrt. Ich muss hier anmerken, dass ich das Experiment weder selbst durchgeführt habe, noch jemals bei der Durchführung, live vor Ort gewesen bin! Ich persönlich habe nur Computersimulationen und Animationen dieses Experiments gesehen. Skepsis ist hier angebracht…

Der Beobachter

Interessant finde ich auch, dass bei den Erklärungsversuchen des Doppelspaltexperiments erstmal auch Stimmen laut wurden, die den Beobachter, als versuchsbeeinflussend gesehen habe. Zur Erinnerung, das Muster auf dem Detektor hatte sich verändert, nach dem man (mittels Technologie) nachweisen konnte, durch welchen der Schlitze das Lichtteilchen flog. Man kam nun auf die Idee, dass das Licht zu diesem Zeitpunkt durch den Beobachter zum Teilchen wurde. Sich das Teilchen sozusagen wegen der Wahrnehmung des Beobachters festlegen musste.

Diese Idee war bis zu dem Zeitpunkt in der Wissenschaft noch undenkbar. Doch nachdem es keine anderen, schlüssigen Ideen zur Erklärung der Effekte gab, einigte sich die Fachwelt darauf, dass offensichtlich die Initiatoren und Beobachter von Experimenten, schon in der Versuchsanordnung ausgeklammert werden sollten um ein möglichst objektives Ergebnis zu erhalten.

Schrödingers Katze

Der österreichische Physiker Dr. Erwin Schrödinger war einer der Mitbegründer der Quantenmechanik und erhielt 1933 den Nobelpreis für Physik. Er hatte ein Gedankenexperiment vorgeschlagen, das heute viele von uns unter dem Namen “Schrödingers Katze” aus dem Physik Unterricht kennen sollten.

In seinem gedanklichen Experiment befindet sich eine Katze, ein radioaktives Präparat, ein Geigerzähler, für die beim Zerfall des Präparates entstehende Strahlung und eine, für die Katze, tödliche Menge Gift. Wenn der Geigerzähler Strahlung misst, sollte das Gift freigesetzt werden, dass die Katze auf der Stelle tötet.

Schrödinger meint nun, dass sich die Katze, solange die Kiste nicht geöffnet wurde und ihr Tod festgestellt, also gemessen wurde, in keinem der beiden oder allen mögichen Zuständen befindet. Schrödinger wollte damit zum Ausdruck bringen, wie paradox die Effekte der Quantenmechanik direkt umgesetzt in unsere makroskopische Welt wären. Die Katze wäre also gleichzeitig lebendig und tot, solange niemand den Zustand der Katze überprüfen würde. Das klingt nicht nur paradox, es ist auch so.

Ja, die Welt der Quantenmechanik…

In der Welt der Quantenmechanik lassen sich aber instabile Atomkerne durch einen Überlagerungszustand aus den Zuständen “nicht zerfallen” und “zerfallen” beschreiben. Diese Idee, dass es mehrere Zustände eines Teilchens geben kann, einen Überlagerungszustand dieser Teilchen, ist gemeinhin als Superposition bekannt. Wir werden im nächsten Teil näher darauf eingehen. Dieser Umstand bildet auch die Basis für die Technologie der Quantencomputer.

Zu Schrödingers bizarrem Gedankenexperiment kann man noch erwähnen, dass es über die Abläufe in der verschlossenen Kiste unterschiedlichste Meinungen und Theorien gibt. Eine dieser Theorien, die “Viele-Welten-Interpretation” des Physikers Hugh Everett möchte ich an dieser Stelle noch erwähnen. In dieser Theorie geht man davon aus, dass die vermeintlich möglichen Zustände der Katze, zu gleicher Zeit, aber in unterschiedlichen Universen, absolut real sind. In dem Universum, wo das Atom zerfallen ist, ist die Katze tot, und in dem Universum, in dem das Atom noch nicht zerfallen ist, ist die Katze noch am Leben.

Je nachdem, in welchem Universum wir uns aufhalten, dementsprechend werten wir die Ergebnisse. Das ist insofern interessant, weil der Gründer der Firma, die die ersten Quantencomputer an Firmen wie Google oder die NSA ausliefert, anscheinend genau an diese Theorie glaubt. Wir werden darauf später noch zurück kommen. Ich möchte nur an dieser Stelle ein Zitat bringen, das eindeutig darauf hinweist.

“…die Wissenschaft hat nun einen Punkt erreicht, wo wir Maschinen bauen können, die diese anderen Welten (aus)nutzen (Anm.: im Original exploit) und Quantencomputer sind vielleicht die Aufregendsten unter all diesen…”

Geordie Rose, CTO von D-Wave Systems bei IdeaCity 2013

Wir werden in weiteten Folgen dieser Serie noch mehr von Dr. Rose hören.

In diesem Sinne, bleibt stark und wir lesen uns in Teil 3 der Serie “Quantencomputer – die Welt ist nicht mehr wie sie einmal war…”

Die ganze Serie „Quantencomputer – die Welt ist nicht mehr wie sie einmal war…“:

Teil 1 – Teil 2 – Teil 3 – Teil 4 – Teil 5 – Teil 6 – Teil 7


Quellen:

Bücher

Bücher, die als Quelle oder zur Inspiration gedient haben:


Beitragsbild: Alex Sukontsev/flickr (CC BY-SA 2.0)

6 Kommentare

Kommentar verfassen