Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ein Quantensprung für die Informationsverarbeitung

24.03.2010
In der Welt von Atomen und Elektronen gelten andere physikalische Gesetze als im Großen. Wissenschaftler wollen diese Gesetze unter anderem für neue Methoden zum Speichern und Austausch von Informationen nutzen. Würzburger Physiker liefern ihnen das dafür notwendige Material.

Es ist eine merkwürdige Welt, hier im Bereich von Atomen und Molekülen: Materie nimmt die Eigenschaften von Wellen an. Im Gegenzug wird Licht, das der Laie als elektromagnetische Welle kennt, ein Produkt von Teilchen - den so genannten Photonen. Physikalische Eigenschaften existieren nur in festen Größenordnungen; Zwischenstufen kommen nicht vor.

Es ist dies die Welt der Quantenmechanik. Diese fundamentale Theorie der Physik, deren Anfänge signifikant von dem in Würzburg geborenen Werner Heisenberg mitgestaltet worden sind, beschreibt die Gesetze des Mikrokosmos und sorgt mit manchen von ihr vorhergesagten Effekten noch immer für Verblüffung.

Quanteneffekte für die Informationsverarbeitung

Diese Quanteneffekte wollen Physiker in Zukunft unter anderem im Bereich der Informationsverarbeitung nutzen. Ein neuer, international zusammengesetzter Forschungsverbund will dafür die Grundlagen schaffen. Daran beteiligt ist auch der Lehrstuhl für Technische Physik der Universität Würzburg. Die EU unterstützt das Projekt mit rund 2,2 Millionen Euro in den kommenden drei Jahren.

"Moderne Rechner werden immer leistungsfähiger - und immer kleiner. Je kleiner die Strukturen aber werden, desto deutlicher tritt die Geltung der Gesetze der Quantenmechanik hervor", erklärt Sven Höfling. Der Physiker ist Gruppenleiter am Lehrstuhl für Technische Physik der Universität Würzburg. Gemeinsam mit Professor Lukas Worschech, dem Leiter des Lehrstuhls, ist er verantwortlich für den Würzburger Beitrag zu dem Forschungsverbund.

Wenn also die Abmessungen der elektronischen Bauteile ohnehin in quantenrelevante Größenordnungen vordringen, biete es sich an, deren Gesetze für eine neue Form der Informationsverarbeitung zu nutzen, so Höfling weiter.

Unendliche viele Möglichkeiten, Informationen zu speichern

"Ein heutiger PC verarbeitet Information rein digital. Das heißt: Er kennt nur die Zustände 1 und 0 beziehungsweise 'Strom fließt' oder 'Strom fließt nicht'", erklärt Lukas Worschech. Andere Möglichkeiten eröffnet die Quantenmechanik: "Informationen lassen sich auf atomarer Ebene mit Zuständen verbinden, die untereinander verschränkt sind", so Worschech.

Auch mehrere Informationseinheiten können in einen Quantenzustand gepackt und getrennt voneinander bearbeitet werden. Dann sind im Prinzip unendlich viele Mischzustände denkbar und dementsprechend viele Möglichkeiten, Informationen aufzubereiten. "Quanten-Informationsverarbeitung", heißt dieser Forschungsbereich.

Ein gigantischer Parallelrechner

Wer das Prinzip verstehen will, muss sich aus seiner makroskopischen Gedankenwelt verabschieden. Denn dann sind beispielsweise Elektronenzustände denkbar, bei denen sich das Teilchen in mehreren Zuständen gleichzeitig befindet. Diese so genannte Superposition wird von Quantenrechnern genutzt. Herkömmliche Rechner hingegen speichern ihre Informationen in Sequenzen, die nacheinander ausgelesen und verarbeitet werden.

Ein Quantencomputer kann das besser: Er produziert eine Überlagerung von Zuständen. Während ein klassisches Bit genau eines von zwei Zuständen einnimmt, kann das Quantenbit sich gleichzeitig in beiden befinden, bevor eine Messung vorgenommen wird. Weil jede Veränderung sich auf die Zustände des Gesamtsystems gleichzeitig auswirkt, arbeitet der Quantencomputer wie ein gewaltiger Parallelrechner und schafft so bisher unerreichte Rechenmöglichkeiten.

Informationspäckchen in der Quantenwelt

Statt auf Elektronen setzen die Physiker für ihre Quantenrechner auf Lichtteilchen, so genannte Photonen. "Photonen sind ein idealer quantenmechanischer Informationsträger", sagt Sven Höfling. Der Informationsgehalt der Teilchen unterliegt so gut wie keinen Störeinflüssen, die Teilchen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit, sind einfach zu manipulieren und zu registrieren.

Der Informationstransport mit einzelnen Lichtteilchen funktioniert schon heute. "Allerdings sind dafür große Messaufbauten im Labor notwendig", sagt Höfling. An diesem Punkt setzt der neue Forschungsverbund an: "Wir wollen die Technik, für die zur Zeit noch ein ganzes Labor benötigt wird, auf einem einzigen kleinen Chip unterbringen", sagt der Physiker.

Künstliche Atome, die von den Würzburger Forschern in ihren Reinräumen im Mikrostrukturlabor hergestellt werden, dienen als Photonenquelle. Der Transport der Lichtteilchen läuft über winzige Wellenleiter, an deren Ende integrierte Detektoren diese wieder messen.

Der Quantensprung in der Rechnerentwicklung

"Wenn es gelingt, die ganzen Funktionen in der Größenordnung eines einzelnen Mikrochips zu realisieren, bedeutet das für die Informationsverarbeitung einen sprichwörtlichen Quantensprung in der Entwicklung", sagt Höfling. Der angestrebte Paradigmenwechsel sei annähernd vergleichbar mit dem Wechsel von der Röhre zum Transistor in der Frühzeit der Computer - also vom Rechner, der ganze Hallen füllte, hin zum PC, der auf jedem Schreibtisch Platz findet.

Diese Miniaturisierung und daraus folgende Integration vieler Funktionen hat die breite Nutzung der klassischen Informationsverarbeitung in der Gesellschaft ermöglicht. "Für die Quanteninformationsverarbeitung müssen ähnliche anwendungsfreundliche Plattformen erst noch gefunden werden. Der angestrebte Mikrochip ist ein wichtiger Schritt in dieser Richtung", so Höfling.

Drei Jahre hat der Forschungsverbund "Quantip" nun Zeit, seinen Quanten-Chip zu entwickeln. Die Erfahrung und das Knowhow dafür bringen die beteiligten Forschungseinrichtungen jedenfalls mit. Glaubt Höfling an den Erfolg des Vorhabens? "Ich bin zuversichtlich", sagt er. Natürlich: Die Schwierigkeiten ihres Vorhabens sind allen Beteiligten bewusst. "Aber das ist häufig in der angewandten Physik der Fall: Wenn etwas nicht funktioniert, eröffnen sich andere Wege. Und Lösungen sehen dann anders aus als ursprünglich gedacht", sagt Höfling, "aber sie lassen sich oft finden". Sollte das auch in diesem Projekt so laufen, wäre das auf jeden Fall "ein Riesendurchbruch."

"Quantip - Quantum integrated photonics" lautet der offizielle Name des Forschungsverbunds. Die Koordination hat Mark Thompson von der University of Bristol. Weiter sind daran beteiligt Forschungseinrichtungen und Universitäten in Australien, Deutschland, Frankreich, Italien und den Niederlanden.

Kontakt:
Prof. Dr. Lukas Worschech, T: (0931) 31-85813, E-Mail: lukas.worschech@physik.uni-wuerzburg.de

Sven Höfling, T: (0931) 31-83613, E-Mail: sven.hoefling@physik.uni-wuerzburg.de

Gunnar Bartsch | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-wuerzburg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Informationstechnologie:

nachricht Der Form eine Funktion verleihen
23.06.2017 | Institute of Science and Technology Austria

nachricht Zukunftstechnologie 3D-Druck: Raubkopien mit sicherem Lizenzmanagement verhindern
23.06.2017 | Universität Ulm

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Informationstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Im Focus: Die Schweiz in Pole-Position in der neuen ESA-Mission

Die Europäische Weltraumagentur ESA gab heute grünes Licht für die industrielle Produktion von PLATO, der grössten europäischen wissenschaftlichen Mission zu Exoplaneten. Partner dieser Mission sind die Universitäten Bern und Genf.

Die Europäische Weltraumagentur ESA lanciert heute PLATO (PLAnetary Transits and Oscillation of stars), die grösste europäische wissenschaftliche Mission zur...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Von Batterieforschung bis Optoelektronik

23.06.2017 | Veranstaltungen

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

„Fit für die Industrie 4.0“ – Tagung von Hochschule Darmstadt und Schader-Stiftung am 27. Juni

22.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Radioaktive Elemente in Cassiopeia A liefern Hinweise auf Neutrinos als Ursache der Supernova-Explosion

23.06.2017 | Physik Astronomie

Dünenökosysteme modellieren

23.06.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Makro-Mikrowelle macht Leichtbau für Luft- und Raumfahrt effizienter

23.06.2017 | Materialwissenschaften