Quantenphysik

Die Quantenphysik ist der Bereich der Physik, der sich mit dem Verhalten und der Wechselwirkung kleinster Teilchen in der Natur befasst. Die Quantennatur oder Quantenwelt beschreibt das Verhalten von kleinsten Einheiten. Ein Quant ist ein Teilchen, das sich nicht teilen lässt.

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.

Wenn man Quantenbits abruft (beobachtet), dann wird ihr Zustand zerstört. Das ist die Eigenschaft, die die Quantenphysik von der klassischen Physik unterscheidet.

Qubit - Quantenbit

In der Regel weisen Quantensysteme eine binäre Struktur auf. Man spricht von Qubits (Quantum Bits). 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. Der Unterschied zu den normalen Bits, ist der, dass die elektronischen Bits definiert sind. Qubits dagegen nehmen erst bei der Messung einen bestimmten Zustand ein.

Die Entwicklung geht in Richtung Systeme, die mehrere Zustände einnehmen können. Ein Qubit mit drei Zuständen wäre dem nach ein Qutrit. Mehr Zuständen werden mit Qudit oder Qubit mit d Zuständen bezeichnet.

Quantenzustand

Wenn man nun feststellen will, welchen Zustand ein Teilchen hat, dann wird seine 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.

Quantenoptik

Die Quantenphysik arbeitet mit komplexen verschränkten Zuständen und Qubits. Vielen Technikern und Informatikern wäre es lieber, sie könnten mit normalen Transistoren und Gattern arbeiten.
Die Quantenoptik hat dafür einen volloptischen Transistor. Hier wird durch einen präzise abgestimmten optischen Resonator ein Lichtstrahl von bis zu hundert Photonen ein einzelnes Gate-Photon gesteuert. Wie mit dem Strom über die Basis die Emitter-Kollektor-Strecke eines herkömmlichen Transistors gesteuert wird. Die Physik hinter diesem optischen Transistor entspricht der Quantenmechanik. Die aber viel schneller und energiesparender ist als Halbleiter.

Quantenkryptografie

Um vertrauliche Daten vor Fremden zu schützen, müssen sie vor der Übertragung verschlüsselt werden. Der Unterschied zu den üblichen Algorithmen und Mechanismen zur Quantenkryptografie ist das Erzeugen und Verteilen des Schlüssels auf Basis der Naturgesetze. Die üblichen Methoden zur Verschlüsselung basieren auf Mathematik, deren Schlüssel sich mit ausreichender Rechenleistung berechnen lassen.

In der Quantenkryptografie werden beim Erzeugen der Schlüssel einzelne Lichtteilchen präpariert und zwischen den Teilnehmern im Netzwerk ausgetauscht. Beim Empfang der Lichtteilchen werden sie gemessen und nachbearbeitet, so dass sich auf beiden Seiten identische Schlüssel ergeben. Die Schlüssel bestehen dabei aus einer zufälligen Abfolge von Nullen und Einsen.

Versucht nun eine Lauscher an Informationen heranzukommen, so hinterlässt er Spuren an den Lichtteilchen. Denn bei jedem Zugriff auf die Informationen, die einer Messung entsprechen, verändert sich der Zustand der Lichtteilchen. Durch die Veränderung entsteht ein Fehler, der festgestellt werden kann. Als Maßnahme gegen den Lauscher kann die Übertragung eingestellt werden.

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