SIEMENS

Herr Professor Zeilinger, die Quantenphysik ist 100 Jahre alt. Trotzdem hat man den Eindruck, als seien Anwendungen erst jetzt in Sicht.

Zeilinger: Das stimmt nicht, denn die ganze Halbleitertechnik beruht auf der Quantenphysik, auch Laser wären ohne sie nicht denkbar.

Bestimmte Phänomene wie die Verschränkung von Photonen, mit der Sie sich beschäftigen, werden aber erst seit einigen Jahren untersucht und für Anwendungen erschlossen. Woran liegt das?

Zeilinger: Untersuchungen zur Verschränkung von Photonen gibt es tatsächlich erst seit den 1970er-Jahren, obwohl Erwin Schrödinger das Phänomen schon 1935 beschrieben hat, auch Albert Einstein beschäftigte sich zu der Zeit mit den "spukhaften Fernwirkungen", wie er es nannte. Das Thema wurde einige Jahrzehnte lang nicht weiter verfolgt, man hielt die Beschäftigung mit diesen Phänomenen nicht für Physik, sondern für Philosophie. Auch als ich in den 70er-Jahren mit einigen Kollegen mit dem Thema angefangen habe, wurde ich noch belächelt. Auf der ersten Konferenz damals waren vielleicht 30 Leute anwesend. Heute findet jeden Monat eine Konferenz statt, zu der hunderte Forscher kommen und an denen ich aus Zeitgründen gar nicht immer teilnehmen kann. Das Interesse an den fundamentalen Fragen der Quantenphysik ist wieder gestiegen und seit den neunziger Jahren zeichnen sich nun auch völlig neue Anwendungen ab wie die Quantenkryptographie.

Was sind die Vorteile, wenn man Daten mit Hilfe der Quantenphysik verschlüsselt?

Zeilinger: Es ist absolut sicher, weil man sofort merkt, wenn jemand versucht, die Glasfaserleitung abzuhören, die zum Austausch der Schlüssel dient. Das ist kein technischer Trick, sondern steckt sozusagen in der Physik. In dem Projekt, das wir gemeinsam mit dem Austrian Research Center bearbeitet haben und an dem auch Siemens beteiligt war, haben wir verschränkte Photonen zur Übermittlung der Schlüssel benutzt. Das eine Photon weiß immer über den Zustand des anderen Bescheid. Wird eines gemessen – zum Beispiel durch einen Angreifer – lässt sich das an seinem Zwilling sofort nachweisen. Mittlerweile können wir solche Zwillingsphotonen mit einer Rate von zehn Millionen in der Sekunde erzeugen. In dem Projekt mit dem ARC nutzen wir etwa ein Dutzend Schlüssel pro Sekunde. Das ist gegenüber herkömmlichen Verfahren, wo Schlüssel über eine unsichere Leitung ausgetauscht und dann womöglich über Jahre verwendet werden, eine völlig neue Dimension.

Wo sind die Nachteile des Verfahrens?

Zeilinger: Da man die Photonen nicht messen kann, ohne die Verschränkung zu zerstören, kann man sie leider nicht verstärken. Durch die Verluste in der Glasfaser gehen immer Photonen verloren, so dass die überbrückbare Entfernung in der Glasfaser bisher auf etwa 30 km beschränkt ist. Bei einer Übertragung durch die Luft haben wir aber zwischen den Inseln Teneriffa und La Palma auch schon 144 km geschafft. Für den sicheren Datenverkehr zwischen Behörden oder Banken an einem Ort reicht das völlig aus. Zudem muss man darauf achten, dass man Seitenkanalattacken unterbindet, zum Beispiel das Abhören der elektromagnetischen Signale, die beim Erzeugen der Schlüssel in der Krypto-Hardware beim Sender und Empfänger entstehen. Da haben wir aber bereits geeignete Maßnahmen ergriffen.

Gibt es noch andere Anwendungen für die Quantenphysik, die marktreif sind?

Zeilinger: Ja, die Erzeugung von Zufallszahlen. Diese benötigt man zum Beispiel für Online-Glücksspiele, bestimmte Optimierungsalgorithmen und zur Berechnung von Integralen in mathematischen Problemen. Heute erzeugt man solche Zufallszahlen mit dem Computer, indem man ein Programm auf einen Startwert setzt und es dann eine gewisse Zeit laufen lässt. Doch unter gleichen Randbedingungen erhält man auf diese Weise immer die gleichen Zahlen, man spricht deshalb von Pseudozufallszahlen. Ein Mitarbeiter im Rechenzentrum könnte das ausnutzen, indem er den Rechenvorgang nachvollzieht und beim Glücksspiel einen großen Gewinn einstreicht. Wir erzeugen dagegen echte Zufallszahlen, indem wir Photonen auf einen halbdurchlässigen Spiegel schicken und messen, wann die Lichtteilchen durchgehen oder reflektiert werden, was völlig zufällig und nicht vorhersehbar ist. Wir haben einen Generator bis zur Marktreife entwickelt, der Milliarden Zufallszahlen pro Sekunde erzeugt, und wir sind auch mit Unternehmen im Gespräch, die das bauen und vermarkten wollen. Aber generell ist es in der Quantenphysik wie in der Anfangszeit der Halbleiter- oder Lasertechnik: Die Erfinder hatten zunächst selbst keine Vorstellung, was man mit ihrer Erfindung alles machen kann.

Beim Quantencomputer scheint es dagegen schon recht konkrete Vorstellungen zu geben, obwohl er noch in weiter Ferne ist.

Zeilinger: Um den Quantencomputer ist ein großer Wettlauf entbrannt. Wenn er eines Tages funktioniert, wird es ein Computer sein, der in eine völlig neue Qualitätsklasse vorstößt. Das Besondere ist, dass er Rechenoperationen nicht nacheinander sondern gleichzeitig bearbeitet, weil er die quantenphysikalischen Überlagerungszustände von Atomen ausnutzt. (Anm. der Redaktion: siehe Artikel "Quanten gegen Internet-Würmer")

Und was macht man mit dieser gigantischen Rechenleistung?

Zeilinger: Eine Anwendung ist der Shore-Algorithmus zur Zerlegung von großen Primzahlen. Das benötigt man, um Verschlüsselungscodes zu knacken. Das wäre dann das Gegenstück zur Quantenkryptographie. Damit könnte man aber nur die heutigen Schlüssel knacken, nicht die der Quantenkryptographie. Eine weitere Anwendung wäre die Suche nach einem Namen in einer unsortierten Datenbank. Mit herkömmlichen Algorithmen muss man, wenn man Pech hat, die ganze Datenbank bis zum Ende durchsuchen, also zum Beispiel eine Million Rechenschritte bei einer Million Einträge. Ein Quantencomputer mit nur acht Quantenbits würde dies in weniger als 4 000 Schritten erledigen.

Manche ihrer Kollegen bezweifeln allerdings, dass es den Quanten­computer jemals geben wird. Sie argumentieren, dass sich die Phänomene in der Quantenwelt nicht so ohne weiteres auf die makroskopische Welt übertragen lassen.

Zeilinger: Ich bin mir absolut sicher, dass das gelingen wird. Es gibt kein prinzipielles Hindernis in der Physik, das dies verhindern würde. Das Moore'sche Gesetz besagt, dass sich die Zahl der Transistoren auf einem Chip alle 18 Monate verdoppelt. Man könnte auch sagen, dass sich alle 18 Monate die Zahl der Elektronen, die zum Speichern eines Bits nötig sind, halbiert. Schreibt man das fort, ist in 20 Jahren für ein Bit nur noch ein Atom nötig und das ist nichts anderes als ein Quantencomputer. Natürlich liegt noch viel Arbeit vor uns, weil wir komplexe Quantensysteme noch nicht beherrschen. Doch das ist nur eine Frage der Zeit und eines Tages werden solche Quantenrechner in jedem Handy stecken.