Quantenphysik
In der Quantenwelt verändert sich die Eigenschaft oder der Zustand eines Teilchens, wenn man darauf zugreift. Zum Beispiel, um seinen Zustand abzufragen oder seinen Ort festzustellen. Weil wir dieses Verhalten nicht gewohnt sind, ist für viele die Quantenphysik unverständlich.
Die Quantennatur oder Quantenwelt beschreibt das Verhalten von kleinsten Einheiten. Ein Quant ist ein Teilchen, das sich nicht teilen lässt.
Wenn man Quantenbits abruft (beobachtet), dann wird ihr Zustand zerstört. Das ist die Eigenschaft, die die Quantenphysik von der klassischen Physik unterscheidet.
Quantenbit
Ein Bit kann grundsätzlich zwei Zustände annehmen. 1 oder 0. An oder Aus. Ein Quantenbit wird mit einem Teilchen Realisiert. Das kann ein Atom, ein Elektron oder Photon sein. Wenn man nun feststellen will, ob das Teilchen 1 oder 0 ist, dann wird diese Information zerstört.
Verdeutlichung an einem Beispiel: Ein Atom schwebt im Raum. Wenn man dessen Standort feststellen will, dann sendet man Photonen (Lichtteilchen) aus, die vom Atom reflektiert werden. Dadurch kann festgestellt werden, wo sich das Atom befindet. Trifft das Photon auf das Atom, dann wird der Standort des Atoms verändert. Das bedeutet, dass wenn das Photon wieder zurück kommt, dann hat das Atom bereits seinen Standort verändert. Die erhaltene Standortinformation ist dann veraltet.
Man kann das auch anhand von zwei Billiard-Kugeln erklären: Eine Kugel ist das Atom, dessen Standort man feststellen will. Mit der zweiten Kugel soll der Standort der ersten Kugel festgestellt werden. Die zweite Kugel wird dazu "blind" über den Billiard-Tisch gerollt. Treffen die Kugel aufeinander kann man anhand des Aufschlags hören, wo die erste Kugel ist. Doch gerade dieser Aufschlag führt dazu, dass die Kugel woanders hin rollt. Genau das passiert auch bei den Quantenbits. Entweder ändern sie ihren Zustand oder ihren Standort, sobald man auf sie zugreift. Ein Quantenbit kann alle möglichen Zustände annehmen. Man spricht vom Quantenzustand.
An dieser Stelle stellt sich die Frage, wie man mit diesem Verhalten Informationen verarbeiten kann. Wie will man mit einem Quantenbit arbeiten, dessen Zustand man eigentlich nie kennt?
Quantencomputer
Man verwendet Quanten, deren Zustand nach belieben manipuliert werden kann. Mit einem Atom, das zwei Zustände annehmen kann, könnte man einen klassischen Computer nachbauen.
Bei einem Quant hat man mehrere Zuständen und demnach auch mehr Möglichkeiten. Das Prinzip ähnelt der Analogtechnik. Mit Quanten könnten man theoretisch einen Analogcomputer bauen. Doch dieser Vergleich ist nicht ganz richtig, weil man immer nur den einen oder anderen Zustand messen kann und dazwischen viele Zustände liegen.
Um den Zustand eines Systems herauszufinden, kann man zum Beispiel statistisch Messen. Also einen Zustand annehmen, der höchstwahrscheinlich vorhanden sein wird.
Quantenkryptografie
Wie lässt sich das Verhalten von Quanten für Quantenkryptografie nutzbar machen?
Wenn man Quantenbits überträgt haben sie ebenfalls einen sehr instabilen Zustand. Sobald jemand zwischen Sender und Empfänger Quantenbits abhört, dann kommt beim Empfänger nichts mehr an oder der Zustand des Quantenbits ist fehlerhaft. Das kann der Empfänger erkennen und daraufhin das Abhören feststellen. Die Übertragung kann dann eingestellt werden.
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