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Nobelpreis praktisch: Schnellere Computer, genauere Uhren

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Stockholm/Berlin (dpa) - Das bizarre Reich der Quanten liegt jenseits unserer Wahrnehmung - doch es hat direkte Auswirkungen auf unseren Alltag, etwa, wenn wir Computer, Energiesparlampen oder Navigationssysteme benutzen.


Zwei Pioniere der sogenannten Quantenoptik, der Franzose Serge Haroche und der US-Amerikaner David Wineland, teilen sich in diesem Jahr den Nobelpreis für Physik. Sie haben filigrane Techniken für den Blick und für Eingriffe in den Quantenkosmos entwickelt, die zu präziseren Uhren und revolutionären Computern führen können.

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Die beiden Quantendompteure sind Meister im Bändigen einzelner Teilchen. Sie fangen etwa elektrisch geladene Atome (Ionen) oder Lichtteilchen (Photonen) in speziell konstruierten Fallen und können sie dort beobachten und gezielt manipulieren. Das ist nicht selbstverständlich, denn abgesehen von der Schwierigkeit, einzelne Teilchen einzufangen, werden diese Quanten in der Regel zerstört, wenn man sie beobachtet. Wer etwa ein einzelnes Lichtteilchen beobachten will, muss es schließlich auffangen, und damit ist es absorbiert. Lange Zeit galten in diesem Revier daher lediglich Gedankenexperimente als möglich.

Haroche und Wineland ist es jedoch gelungen, solche Quantensysteme zu messen, ohne sie zu zerstören. »Es war eine Serie von ganz tollen Experimenten in der Quantenoptik, die die beiden gemacht haben und die wirklich Grundlagen gelegt haben«, betont Immanuel Bloch, Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching. Das erlaubt eine Reihe neuer Anwendungen, nicht nur innerhalb der Physik: Schon bald könnten sogenannte optische Atomuhren auf Grundlage der jetzt ausgezeichneten Arbeiten die herkömmlichen Atomuhren als Standard ablösen. Statt den Schwingungen eines Cäsium-Atoms werden in ihnen beispielsweise die Schwingungen von Aluminium-Ionen gezählt, und die sind rund hundert Mal schneller.

Entsprechend gehen optische Atomuhren rund hundert Mal genauer als die klassischen Cäsium-Atomuhren. Eine optische Atomuhr, die mit dem Urknall vor 13,7 Milliarden Jahren angeworfen worden wäre, würde bis heute nur um etwa fünf Sekunden abweichen. »Die Atomuhren der Gegenwart und der Zukunft nutzen Methoden, die David Wineland entwickelt hat«, sagt Fritz Riehle von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, der Hüterin der deutschen Atomuhren.

Wozu ist eine derartige Präzision nötig? Beispielsweise für die Navigation per Satellit. Nach Albert Einsteins Relativitätstheorie verändert die Schwerkraft die Zeit. Das führt dazu, dass die Uhren der Navigationssatelliten auch heute ständig neu synchronisiert werden müssen, weil die Schwerkraft in ein paar hundert Kilometern Höhe etwas geringer ist als auf dem Erdboden. Mit optischen Atomuhren lassen sich schon Höhenunterschiede von nur 30 Zentimetern feststellen, wie das Team um Wineland am National Institute of Standards in Boulder (US-Staat Colorado) etwa 2010 gezeigt hat.

Eine technische Revolution erwarten Forscher vom Quantencomputer: Die Speichereinheit herkömmlicher Computer, das Bit, kann genau einen von zwei Zustände annehmen - 0 oder 1. Quantenbits, auch als Qubits abgekürzt, besitzen dagegen beide Zustände gleichzeitig. Zwei Qubits haben alle Zustände von 0 bis 4, und mit nur 300 Qubits lassen sich simultan mehr Werte darstellen als es Atome im Universum gibt. Ein Clou des Quantencomputers besteht vereinfacht gesagt darin, dass er eine Rechnung für alle darstellbaren Werte gleichzeitig ausführt.

Allerdings ist der Bau eines Quantencomputers immens kompliziert. Zwar hat Winelands Gruppe als weltweit erste Rechenoperationen mit zwei Qubits gezeigt, und andere haben inzwischen sogar Quantenoperationen mit mehreren Qubits umgesetzt. Dennoch ist der Weg zum Quantencomputer noch lang. »Das ist nicht so einfach«, sagt der schwedische Physiker Gunnar Ingelman aus der Nobelversammlung. »Bis zum Ende dieses Jahrhunderts könnte es vielleicht etwas werden«, schätzt er vorsichtig. Die Königlich-Schwedische Wissenschaftsakademie prognostiziert: »Wenn es so kommt, wird es unser Leben ebenso radikal verändern, wie der klassische Computer das Leben im vergangenen Jahrhundert gewandelt hat.«

Nobel-Stiftung

Hintergrund zu Winelands Arbeit