Pictures of the Future      Frühjahr 2005

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Relativ präzise Ortsbestimmung. "Nehmen Sie etwa das GPS, das Global Positioning System", sagt Torsten Mosis. Der Informatiker entwickelt Software für Auto-Navigationssysteme bei Siemens VDO in Regensburg. Der wichtigste Sensor für On-Board-Navigationssysteme ist der GPS-Empfänger. "GPS dient der absoluten Ortung", erklärt Mosis: "Es liefert sekündlich die aktuelle Position, gemessen in Längen- und Breitengrad und in der Höhe." Von den 24 Satelliten der GPS-Flotte kann der Empfänger im Auto maximal ein Dutzend gleichzeitig am Himmel "sehen" – mindestens vier bis fünf von ihnen braucht das konventionelle GPS-Verfahren für eine präzise Ortung. Jeder dieser Satelliten sendet ein exaktes Zeitsignal. Aus der Verzögerung, mit der es im Auto eintrifft, kann das Navigationssystem seine Distanz zum Satelliten errechnen. Durch Überlagerung mehrerer Satellitensignale erhält es die Position im Raum – bis auf etwa 20 m Genauigkeit.

Mit dem geplanten europäischen Satellitennavigationssystem soll diese Ungenauigkeit in Zukunft für den Normalnutzer auf nur noch wenige Meter sinken – mit Zusatzeinrichtungen sogar auf etwa 10 cm. Dafür brauchen die Systeme allerdings eine kräftige Prise Einstein in den Rechenalgorithmen. Nach der Allgemeinen Relativitätstheorie läuft nämlich die Zeit an Bord der GPS-Satelliten etwas schneller als am Ort des Empfängers, weil dieser etwa 20 000 km tiefer im Gravitationsfeld der Erde steckt. Dazu kommt ein weiterer Effekt der Speziellen Relativitätstheorie. Weil die Satelliten mit 14 000 km/h um die Erde rasen, gehen ihre Uhren einen Tick langsamer als im GPS-Empfänger – zumindest aus dessen bodenständiger Sicht. Beide relativisti­schen Effekte heben sich nicht gegenseitig auf: In der Bilanz gehen die Bord­uhren der GPS-Satelliten fast 40 ms pro Tag vor. Das klingt nach wenig, beschränkt aber die Genauigkeit ohne relativistische Korrektur auf bestenfalls 30 m.

Doch was tun, wenn das Satelliten-Signal in einem Tunnel ausbleibt oder durch Reflexionen an Hochhäusern verfälscht wird? Um da nicht die Orientierung zu verlieren, greift ein gutes Navigationssystem auch auf andere Sensoren zurück: Der Tacho misst die zurückgelegte Strecke, das Getriebe meldet "vorwärts" oder "rückwärts", und der Drehwinkelmesser – auch Gyroskop oder Gierratensensor genannt – die Richtungsänderungen. Damit kann das System einen zeitweiligen Ausfall des Satellitensignals ausbügeln. Doch es schmuggeln sich auch neue Fehler ein, erläutert Mosis: "Der Tacho reagiert z.B. empfindlich auf Luftdruckschwankungen im Reifen." Um solche Abweichungen zu erkennen, vergleicht das System die Sensordaten mit der gespeicherten Landkarte: "Map-Matching" heißt das. Allerdings lauert hier die nächste Falle, denn auch die beste Karte enthält Ungenauigkeiten.

Wie kann das System trotzdem erkennen, was richtig ist? Dazu greifen die Entwickler tief in die Trickkiste: Zum Beispiel geben sie dem Navigations­system ein Gedächtnis. Das merkt sich die letzten Fahrzeugbewegungen und vergleicht sie permanent mit der Karte. Stellt sich dabei heraus, dass der Tacho um zehn Prozent vorgeht, kalibriert ihn das System neu. Diese auf­wändige Technik macht On-Board-Systeme zuverlässiger als einfache Nach­rüstgeräte, die allein das Satelliten-Signal verarbeiten können.

Blaue Photonen im Gleichtakt. Wenn wir uns orientieren wollen, brauchen wir vor allem eines: Licht. Auch hier verdanken wir Albert Einstein grundlegende Erkenntnisse. Er erkannte beispielsweise, dass Atome Licht als Energie­quanten portionsweise schlucken beziehungsweise wieder aussenden, wenn sie leuchten. In einer Glühbirne tun sie das spontan und unvorhersehbar. 1916 entdeckte Einstein, dass man Atome jedoch auch gezielt zum Abstrahlen von Photonen stimulieren kann. Damit legte er das theoretische Fundament für den Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

"Ein Laser braucht ein leuchtendes Lasermedium, einen Resonator mit Spiegeln und eine Energiequelle", erklärt Dr. Ulrich Steegmüller. Der Physiker arbeitet bei der Siemens-Tochterfirma Osram Opto Semiconductors in Regens­burg als Projektleiter. Dort entwickelt er Laser aus Halbleiterkristallen, wendet also praktische Quantenphysik an. Solche Kristalle senden nur Licht­quanten eines bestimmten Spektralbereichs aus. Um daraus Laserlicht entstehen zu lassen, muss der Halbleiter in einen optischen Resonator aus zwei einander gegenüber stehenden Spiegeln gepackt werden. Wird er elektrisch zum Leuchten angeregt, dann schaukelt sich das Licht zwischen den Spiegeln zu Laserlicht auf – wie der Pfeifton einer Rückkopplung.

Die Farbe und die effiziente Lichterzeugung sind für die Halbleiter-Entwickler die zentralen Herausforderungen. Sie diktieren, welche Materialien man verwenden sollte und wie sie aufgebaut sein müssen. Nicht ohne Grund führten Leuchtdioden in den 1970er- und 1980er-Jahren ein Schattendasein im Rotlichtbezirk: Sie konnten nur infrarot oder rot leuchten, weil sie aus Galliumarsenid oder Galliumarsenid-Phosphid bestanden. Eine Erhöhung des Phosphorgehaltes erweiterte das Spektrum um die Farben Gelb und Grün.

Als japanische Forscher 1993 die erste Diode aus Galliumnitrid herstellten, die sehr hell in Blau leuchtete, und 1995 sogar die erste blaue Laserdiode schafften, war das eine Sensation. "Bis 1993 dachte man, dass sich das Galliumnitrid-System nicht richtig beherrschen lässt", erklärt Dr. Norbert Stath, Leiter des Innovationsmanagements bei Osram Opto Semiconductors. Nun folgte eine technologische Aufholjagd. Jetzt spielt Osram ganz vorne mit, betont Stath: "Heute haben wir auf dem Weltmarkt für Galliumnitrid-Technologie eine führende Rolle. Sie ist auch die Basis für die weiße Leuchtdiode, bei der Osram Pionierarbeit geleistet hat." Zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik in Freiburg und den Universitäten von Stuttgart, Braunschweig und Ulm entwickelt Osram seit Jahren blaue Laserdioden aus Indium-Galliumnitrid. Der aktuelle Prototyp schafft über 600 Betriebsstunden bei immerhin zehn Milliwatt Dauerleistung. Zwar haben auch normale Leucht­dioden ein hohes Marktpotenzial, aber die Laserdiode besetzt bereits einen Platz in der Zukunft der Informationsverarbeitung, etwa für neuartige optische Speichermedien: Das kürzerwellige Licht wird es erlauben, viel mehr Daten auf eine Disk zu packen, als das mit den heutigen roten Laserdioden bei der DVD möglich ist. Steegmüller: "Heute zweifelt niemand daran, dass die blau basierten Datenspeicher kommen werden – es gibt bereits erste Produkte für Profi-Anwendungen, der Massenmarkt kommt wohl nach 2006. Der genaue Zeitpunkt der Markteinführung hängt dabei weniger von den technischen Eigenschaften der Laserdioden ab als von kommerziellen Gesichtspunkten und der Entwicklung des DVD-Markts."

Aus Prinzip abhörsicher. Daten müssen oft vertraulich bleiben. Deshalb werden sie vor dem Versenden mit einem Code verschlüsselt, zum Beispiel beim Online-Banking. Leider sind die meisten kryptographischen Codes im Prinzip – wenn auch unter hohem Aufwand – knackbar. Die "Quanten­krypto­graphie" verspricht hingegen einen Code, der aus physikalischen Gründen prinzipiell abhörsicher ist. Dazu nutzt sie eine besondere Eigenschaft von Quanten: Sie lassen sich miteinander zu einem neuen Quantensystem "verschränken". Versucht danach jemand, eines der Teilchen zu manipulieren, dann "spüren" das sofort alle anderen mit ihm verschränkten Teilchen.

Das funktioniert sogar, wenn die Teilchen beliebig weit voneinander entfernt sind. Diese verblüffende Konsequenz der Quantentheorie erkannte Albert Einstein als erster. In seinen Augen bewies das die Unvollständigkeit der von ihm ungeliebten Quantentheorie: Teilchen, die ohne Verzögerung über kosmische Entfernungen miteinander "kommunizieren" könnten, wider­sprachen seiner Auffassung von physikalischer Realität. Das formulierte er 1935 zusammen mit den Physikern Boris Podolsky und Nathan Rosen in einem berühmt gewordenen Gedankenexperiment.

Diese Herausforderung beflügelte die Laserphysiker. Anfang der 1980er Jahre konnten sie ein ähnliches Experiment tatsächlich realisieren. Es bewies, dass es die mysteriöse "spukhafte Fernwirkung" (wie sie Einstein nannte) tat­sächlich gibt und dass daher – anders als Einstein vermutete – die Quanten­theorie korrekt ist. Heute lässt sich Information über verschränkte Photonen­pärchen in Glasfasernetzen übertragen – bis zu etwa 100 km weit. Jedes Mithorchen zerstört sofort die Verschränkung und muss sich so unweigerlich verraten. In Genf gibt es bereits eine kleine Firma, die ein kommerzielles System verkauft. Einsteins Irrtum trägt also unerwartete Früchte.

Mit Quanten rechnen. Dr. Markus Dichtl macht allerdings deutlich, dass diese Früchte für die breite technische Anwendung noch zu unreif sind. Der Mathematiker und Kryptologe arbeitet bei Siemens Corporate Technology in München. Er beobachtet die Entwicklungen auf dem Gebiet der Quanten­krypto­graphie und des Quantencomputers. Quantencomputer sollen ausnutzen, dass verschränkte Quantensysteme nicht nur die Werte 0 und 1 repräsentieren können, mit denen heutige Computer auskommen müssen, sondern auch Werte dazwischen. Gelänge es, einen Quantencomputer zu bauen, ließen sich viele Berechnungen millionenfach beschleunigen: Zwar würde er sich nicht gerade als Ersatz der heutigen PC eignen, aber sicher geglaubte Codes könnten im Handumdrehen geknackt und Datenbanken blitzartig durchsucht werden. Allerdings gelingt den Physikern bislang nur der Bau sehr kleiner Systeme mit wenigen "Quantenbits". "Die erreichen heute noch nicht einmal die Leistungsfähigkeit eines Abakus", bilanziert Dichtl. Deswegen sind für ihn Quantencomputer in den nächsten zehn Jahren noch kein Thema für technische Anwendungen.

Bei der Quantenkryptographie sieht Dichtl ein grundsätzliches Problem. Sie kontrolliert zwar den Übertragungsweg perfekt, kann aber die Authentizität des Partners nicht sicherstellen. Das geht nur, wenn dieser einen speziellen Schlüssel hat, der anderen nicht zugänglich ist: Aber wie erhält er ihn? Es gibt kryptographische Vereinbarungsverfahren, die solche Schlüssel übermitteln können. Diese funktionieren aber wieder anders als die Quantenkryptographie und bieten deshalb in der Datenübertragung keine beweisbare Sicherheit. Die Katze beißt sich also in den Schwanz.

Das physikalische Prinzip der Quantenkryptographie wirft auch technische Fragen auf, die bislang ungelöst sind. Zum Beispiel müssen einzelne Photonen die Information ungestört über große Strecken übermitteln können, erklärt Dichtl: "Nach 100 bis 200 km Glasfaser ist damit ziemlich klar Schluss." Das Problem: Größere Distanzen machen Zwischenverstärker nötig. Aller­dings gibt es noch keine "Repeater", die verschränkte Quantenzustände in die nächste Übertragungsstrecke hineinkopieren können: Dazu müssten sie nämlich leistungsfähige Quantencomputer sein. Einfache Repeater hingegen, die die Quanteninformation entschlüsseln und dann wieder neu ver­schlüsseln, wären dagegen wiederum nicht mehr abhörsicher. Ob und wann wir diese beiden Quantentechniken im Alltag verwenden werden, ist also noch völlig offen. Doch davon ganz abgesehen: Auch ohne sie lassen sich heute erstaunlich viele Geräte mit dem Label "Powered by Einstein" versehen.
                                                                                                  Roland Wengenmayr