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Knobelspiel mit einem Quantenwürfel

03.09.2010
Ein einfaches Gerät misst das Quantenrauschen von Vakuumfluktuationen und liefert so echte Zufallszahlen

Hinter jedem Zufall steckt ein Plan, zumindest in der Welt der klassischen Physik: Im Prinzip lassen sich hier alle Geschehnisse berechnen, auch der Fall eines Würfels oder der Ausgang eines Roulette-Spiels. Ein Gerät, das mit echtem Zufall arbeitet, haben Forscher am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts in Erlangen konstruiert. Ihre Apparatur liefert zufällige Zahlen, die prinzipiell nicht vorhergesagt werden können, und zwar mit Hilfe der Quantenphysik. Die Forscher nutzen aus, dass quantenphysikalische Messungen ein spezielles Ergebnis nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit, also zufällig, ergeben können. Echt zufällige Zahlen werden benötigt, um Daten sicher zu verschlüsseln oder zuverlässig ökonomische Prozesse und Klimaveränderungen zu simulieren. (Nature Photonics online Veröffentlichung, 29. August 2010)


Ein Spiel mit echtem Zufall: Max-Planck-Forscher produzieren echte Zufallszahlen, indem sie die zufällig schwankende Intensität des Quantenrauschens sichtbar machen. Sie verwenden dazu einen starken Laser (von links kommend), einen Strahlteiler, zwei identische Detektoren und einige elektronische Komponenten. Die statistische Verteilung der Messwerte folgt einer Gauß’schen Glockenkurve (unten im Bild). Einzelne Messwerte werden Abschnitten der Glockenkurve zugeordnet, die jeweils einer Zahl entsprechen. Bild: MPI für die Physik des Lichts

Was wir landläufig Zufall nennen, entspringt nur einem Mangel an Wissen: Wenn wir Ort, Geschwindigkeit und alle anderen klassischen Eigenschaften sämtlicher Teilchen im Universum absolut genau kennen würden, könnten wir fast alle Prozesse in der Welt unserer Alltagserfahrung vorhersagen. Selbst der Ausgang eines Knobelspiels oder die Lottozahlen ließen sich dann berechnen. Schon gar nicht zufällig sind die Ergebnisse, die Computerprogramme liefern, auch wenn sie dafür gemacht sind: "Sie gaukeln Zufall nur vor, mit geeigneten Tests und einer ausreichenden Datenmenge lässt sich darin aber meist schon ein Muster erkennen", sagt Christoph Marquardt. Eine Forschergruppe um Gerd Leuchs und Christoph Marquardt am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts und an der Universität Erlangen-Nürnberg, sowie Ulrik Andersen von der Technischen Universität Dänemark hat dagegen einen Generator für echten Zufall entwickelt.

Den gibt es nur in der Quantenwelt: Mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit hält sich ein Quantenteilchen mal an diesem Ort und mal an jenem auf, und bewegt sich mal mit dieser Geschwindigkeit und mal mit jener. "Diese Zufälligkeit quantenmechanischer Prozesse nutzen wir aus, um Zufallszahlen zu produzieren", sagt Christoph Marquardt.

Als Quantenwürfel dienen den Wissenschaftlern Vakuumfluktuationen - eine weitere Eigenheit der Quantenwelt: Nichts gibt es hier nicht. Selbst in absoluter Dunkelheit ist die Energie eines halben Photons vorhanden, die zwar unsichtbar bleibt, aber in ausgeklügelten Messungen Spuren hinterlässt: das Quantenrauschen. Dieses völlig zufällige Rauschen entsteht dabei erst, wenn die Physiker hinsehen, also eine Messung vornehmen.

Zufallszahlen für die Datenverschlüsselung

Um das Quantenrauschen sichtbar zu machen, greifen die Forscher wieder in die Trickkiste der Quantenphysik: Sie teilen einen starken Laserstrahl an einem Strahlteiler gleichmäßig auf. Ein Strahlteiler besitzt zwei Eingänge und zwei Ausgänge. Den zweiten Eingang decken die Forscher ab, so dass kein Licht eintreten kann. Die Vakuumfluktuationen sind aber immer noch vorhanden und beeinflussen die beiden ausgehenden Teilstrahlen. Diese schicken die Physiker zu Detektoren, mit denen sie die Intensität des Photonenstroms messen. Jedes Photon produziert darin ein Elektron - den elektrischen Strom, der dadurch entsteht, zeichnet der Detektor auf.

Wenn die Wissenschaftler jetzt die Messkurven der beiden Detektoren voneinander subtrahieren, kommt nicht etwa nichts raus. Vielmehr bleibt das Quantenrauschen übrig. "Bei der Messung wird die quantenmechanische Wellenfunktion in einen Messwert umgewandelt", sagt Christian Gabriel, der das Experiment mit dem Zufallsgenerator gemeinsam mit seinen Kollegen am Erlanger Max-Planck-Institut vorgenommen hat: "Die Statistik ist dabei vorgegeben, aber welche Intensität jeweils gemessen wird, bleibt dem reinen Zufall überlassen." Verteilt nach einer Gauß’schen Glockenkurve treten die schwächsten Messwerte häufiger auf, die stärksten nur sehr selten. Die Glockenkurve der Intensitätsverteilung teilen die Forscher in Abschnitte mit gleich großen Flächen und ordnen jedem Abschnitt eine Zahl zu.

Das quantenmechanische Würfelspiel haben die Forscher natürlich nicht zum Zeitvertreib in ihren Kaffeepausen ausgetüftelt. "Echte Zufallszahlen sind schwer zu erzeugen, aber in vielen Bereichen gefragt", sagt Gerd Leuchs, Direktor am Erlanger Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts. Vor allem die Sicherheitstechnik braucht zufällige Zahlenkombinationen, um damit etwa den Transfer von Bankdaten zu verschlüsseln. Mit Zufallszahlen lassen sich aber auch komplexe Prozesse simulieren, deren Ausgang von Wahrscheinlichkeiten abhängt. So sagen Ökonomen mit solchen Monte-Carlo-Simulationen Entwicklungen auf Märkten voraus, und Meteorologen modellieren damit Wetter- und Klimaveränderungen.

Der Quantenwürfel arbeitet mit Standardgeräten

Dass die Erlanger Physiker die Zufallszahlen ausgerechnet mit den schwer greifbaren Vakuumfluktuationen auswürfeln und nicht mit einem der zahlreichen anderen zufälligen Quantenprozesse, hat einen triftigen Grund. Beobachten Physiker etwa die Geschwindigkeitsverteilung von Elektronen oder das Quantenrauschen eines Lasers, wird das zufällige Quantenrauschen meist von klassischem Rauschen überlagert. Das wiederum ist letztlich eben nicht zufällig. "Wenn wir das Quantenrauschen eines Laserstrahls messen wollen, beobachten wir auch klassisches Rauschen, das zum Beispiel von einem wackelnden Spiegel stammt", sagt Christoffer Wittmann, der an dem Experiment mitgearbeitet hat. Als Prozess der klassischen Physik lässt sich das Vibrieren des Spiegels prinzipiell berechnen und verdirbt das Würfelspiel.

"Wir erhalten zwar auch einen Anteil klassischen Rauschens durch die Messelektronik", sagt Wolfgang Mauerer, der dies im Experiment untersucht hat: "Wir kennen unser System aber sehr gut und können diesen Anteil genau berechnen und entfernen." Quantenfluktuationen erlauben es den Physikern aber nicht nur, das reine Quantenrauschen zu belauschen, außer ihnen kann auch keiner mithören. "Die Vakuumfluktuationen liefern einzigartige Zufallszahlen", sagt Christoph Marquardt. Bei anderen Quantenprozessen fällt dieser Nachweis schwerer und es besteht die Gefahr, dass ein Datenspion eine Kopie der Zahlen erhält. "Das wollen wir natürlich vermeiden, wenn es um Zufallszahlen für Datenschlüssel geht", sagt Marquardt.

Auch wenn der Quantenwürfel auf einige geisterhafte Phänomene der Quantenwelt setzt, die unserer Alltagserfahrung völlig widersprechen: Besonders ausgeklügelte Geräte brauchen die Physiker nicht, um sie zu beobachten. Die technischen Komponenten ihres Zufallsgenerators gehören vielmehr zur Grundausstattung vieler Laserlabore. "Wir brauchen für den Aufbau weder einen besonders guten Laser noch besonders teure Detektoren", erklärt Christian Gabriel. Das dürfte ein Grund mehr sein, warum sich bereits Unternehmen für die Technik interessieren, um sie kommerziell zu nutzen.

Originalveröffentlichung:

Christian Gabriel, Christoffer Wittmann, Denis Sych, Ruifang Dong, Wolfgang Mauerer, Ulrik L. Andersen, Christoph Marquardt und Gerd Leuchs
A generator for unique quantum random numbers based on vacuum states
Nature Photonics, online Veröffentlichung, 29. August 2010; DOI: 10.1038/NPHOTON.2010.197

Weitere Informationen erhalten Sie von:

Dr. Christoph Marquardt
Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts, Erlangen
Tel.: +49 91316877-129
E-Mail: Christoph.Marquardt@mpl.mpg.de
Christian Gabriel
Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts, Erlangen
Tel.: +49 91316877-120
E-Mail: Christian.Gabriel@mpl.mpg.de

Barbara Abrell | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

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