Literatur
Quo vadis, Rechenmaschine?
bild der wissenschaft 11/2004 von Ulrich Schmitz
Quantenrechner, Spintronik oder Qubits - sie charakterisieren die Rechenmaschine von morgen. Eines ist klar: Es geht bergab, bis in die Tiefen der Atome. Dabei bietet der Abstieg in die Nanowelt zugleich einen Vor- und einen Nachteil. Und wenn die Forscher Erfolg haben, dann könnte sich auch der Nachteil als gewaltiger Vorteil erweisen. Der Vorteil liegt darin, dass die Rechenmaschinen immer kleiner werden - und sich damit immer mehr Rechenpower auf immer kleinerem Raum zusammenziehen läßt. Der Nachteil des Abstiegs in die Nanowelt ist, dass einige noch in der Mikrowelt geltende physikalische Gesetze im atomaren Bereich außer Kraft sind. Die Gesetze der Quantenphysik greifen, sobald die Abmessungen vergleichbar werden mit der Wellenlänge der Elektronen. Hier findet die Von-Neumann-Architektur ihren Meister: Irgendwann weiß man nicht mehr, ob ein Elektron da ist oder nicht. Dann kann man aber auch kein Bit mehr zuverlässig ablegen, keine Befehle mehr abarbeiten.
Daran, dass aus diesem Ende der Fahnenstange ein neuer Anfang wird, arbeiten Forscher weltweit. Prof. Gernot Güntherodt, Sprecher des NanoClubs der RWTH Aachen, kann sich vorstellen, künftig nicht die Ladung der Elektronen als Informationsträger zu nutzen, sondern deren „Spin", die Rotation des Elektrons um sich selbst. Der Spin ist schneller und auch leichter zu manipulieren als die Ladung von Elektronen. Grundsätzlich ist der Übergang von herkömmlichen Bits auf Quanten-Bits - kurz: Qubits -, auf der Basis von Spins der Elektronen realisierbar.
Ein Acht-Bit-Register eines klassischen Computers hat immer einen bestimmten Zustand, der eine Zahl zwischen 0 und 255 darstellt. Ein Quantencomputer dagegen produziert zuerst eine Superposition aller 256 Zustände des Registers. Während ein klassisches Bit eines von zwei Zuständen einnimmt, kann das Qubit in beiden gleichzeitig sein. Jede Operation mit den Qubits wirkt auf alle Zustände und beschert dem Benutzer damit einen massiven Parallelrechner. Dadurch erzielt der Quantencomputer eine Geschwindigkeit, die klassische Rechner nicht erreichen können. Dass das grundsätzlich funktioniert, konnte bereits in simplen Aufbauten demonstriert werden. Qubits werden dabei über äußere Magnetfelder und innere, variable Tunnelbarrieren kohärent gesteuert, also langfristig und kontrolliert. Die Wissenschaftler um Dr. Bernd Beschoten und Prof. Gernot Güntherodt von der RWTH Aachen sind überzeugt, dass mit Schalteinheiten einer spinbasierten Elektronik die Taktfrequenzen heutiger PCs von etwa einem Gigahertz um den Faktor 1000 übertroffen werden können. Für die Erzeugung stabiler Spinzustände - und damit fester Datenplätze - nutzen die Aachener Forscher zum Beispiel ultrakurze Laserpulse von nur 100 Femtosekunden.
Fließt Strom durch einen Kupferdraht, dann sind die Spins der Elektronen zufällig orientiert. Mit Ferromagneten kann man jene Spins herausfischen, die nach oben oder umgekehrt nach unten drehen. Man erhält einen spinpolarisierten Strom. Das wiederum bildet die Grundlage für einen denkbaren SpintronikFeldeffekt-Transistor, mit dem sich die Spinorientierung auf dem Weg durch einen Halbleiter gezielt steuern läßt. Bisher existieren Quantencomputer freilich nur in der Theorie.
Ein anderes spannendes Gebiet sind die photonischen Kristalle. Das sind keine Kristalle aus Photonen, sondern Kristalle für Photonen, ähnlich wie herkömmliche Kristalle für Elektronen. Photonen haben keine Ladung und keine Ruhemasse - sie sind also sehr viel schneller als Elektronen, und sie können beinahe beliebig erzeugt und vernichtet werden. Dahinter steckt wieder das alte Prinzip von Sein und Nicht-Sein, diesmal bezogen auf die Existenz oder Nicht-Existenz von Photonen.
Näher an der Realisierung stehen ferroelektrische Kondensatoren. Sie bestehen aus Oxiden, etwa Bleititanat, die als Miniaturkügelchen auf einem Substrat liegen und eine spontane elektrische Polarisation besitzen, deren Ausrichtungen „auf" und „ab" den Zuständen „0" und „1" entsprechen. Diese Ausrichtung bleibt selbst dann erhalten, wenn der Computer ausgeschaltet wird - der Arbeitsspeicher bekommt ein Gedächtnis. Einige der Körner haben eine Größe von weniger als 30 Nanometern. Als untere Elektrode des Kondensators wird das Substrat benutzt, auf dem das Oxid aufgetragen ist, als obere dient die Sonde eines Rasterkraftmikroskops. Es scheint, dass die Nanowelten genügend Fantasie freisetzen, um die Zeit des Niedergangs klassischer Rechnerarchitekturen sinnvoll zu nutzen.
Musik der Quanten
bild der wissenschaft 10/2002
Gelänge es, einen Quantencomputer zu bauen, ließen sich damit viele Berechnungen millionenfach beschleunigen: Zwar eignet er sich nicht unbedingt als Ersatz für die heutigen PCs, aber als sicher geltende Codes könnten im Handumdrehen geknackt werden, Datenbanken könnten blitzartig durchsucht werden, der Aufbau integrierter Schaltungen ließe sich ebenso optimieren wie die Reiserouten eines Handelsvertreters und vieles mehr. Doch wie würde so ein Supercomputer funktionieren?
Anders als die heutigen Rechner verarbeitet ein Quantencomputer Informationen nicht als Bits, die eindeutig als 0 und 1 definiert sind. Statt dessen nutzt er so genannte Quantenbits (Qubits), die bei einer Messung als 0 oder 1 in Erscheinung treten, aber, solange sie nicht gemessen werden, in einer beliebigen Überlagerung dieser Werte existieren. In der Musik wäre ein Bit etwa vergleichbar mit einem reinen Ton, während ein Qubit eher einen Akkord darstellt.
Die Verwendung von Qubits hat zwei wesentliche Vorteile: Anders als ein herkömmlicher Computer befindet sich ein Quantencomputer in allen möglichen Zuständen gleichzeitig - bei 5o Qubits wären das 2 hoch 50 Werte, wofür ein heutiger Rechner einen Speicher von etwa 128 000 Gigabyte bräuchte. Mehr noch: Auch die Berechnungen führt ein Quantencomputer an allen Zuständen gleichzeitig durch. Dabei beeinflussen sich idealerweise die Qubits derart gegenseitig, dass das korrekte Resultat schließlich mit der höchsten Wahrscheinlichkeit am Ende als Ergebnis gemessen werden kann - die Physiker nennen das Verstärkung durch konstruktive Interferenz. In der Musik entspräche eine solche Berechnung etwa einer Sinfonie, bei er im Lauf der Zeit ein bestimmtes Zusammenspiel der Streichinstrumente immer klarer in den Vordergrund tritt.
Doch so nützlich ein Quantencomputer wäre, so schwierig ist seine Realisierung. So müssen die Qubits durch Quantenobjekte - etwa die inneren Zustände von Atomen oder lonen - präsentiert werden, die erstens möglichst keine Störung durch die Umgebung erfahren, zweitens untereinander aber in enger Wechselwirkung stehen und sich drittens zugleich vom Experimentator präzise kontrollieren und detektieren lassen. Die Vorschläge für Quantencomputer reichen von Molekülen in Flüssigkeiten - mit einer Kopplung der Drehimpulse ihrer Atomkerne - über lonenfallen bis zu genau positionierten ultrakalten Atomen in Atomchips. Demonstriert wurden bislang jedoch nur die rudimentärsten Anfänge eines Quantencomputers.
bild der wissenschaft 10/2002
Quantensprung
Süddeutsche Zeitung vom 20. Febr. 1995, Nr. 42, S. 50, "cs"
Oft kann man lesen, daß eine Firma bei der Zuverlässigkeit ihrer Produkte einen Quantensprung gemacht habe. Gemeint sind bei solcher Rede fast immer qualitative Veränderungen. Wie aber schon der Name verrät, handelt es sich beim Quantensprung um einen quantitativen Vorgang. Der Physiker Max Planck entdeckte Anfang des 20. Jahrhunderts, daß im mikrophysikalischen Bereich Energie nicht kontinuierlich ausgetauscht wird. sondern immer nur unstetig in ganzzahligen Vielfachen von kleinen "Paketen", Quanten. Ein Quant ist die kleinstmögliche Energiemenge: Diese ist das Produkt aus der Frequenz einer elektromagnetischen Strahlung und dem Planckschen Wirkungsquantum "h". Wenn die den Atomkern umkreisenden Elektronen durch Energiezufuhr - zum Beispiel durch Bestrahlung mit Licht beim Phänomen der Phosphoreszenz oder durch Strom im Fall der Glühbirne - Energie quantenweise aufnehmen und dabei in einen "angeregten" Zustand versetzt werden, dann geben sie diese Energie in Form von Quanten wieder ab. In diesen beiden Fällen als Lichtquanten, Photonen. Die bestrahlte Substanz leuchtet, der Glühfaden gibt Licht. Der Übergang des einzelnen Elektrons in den angeregten wie der Rückfall in den Normalzustand geschieht sprunghaft unter Aufnahme oder Abgabe eines Energiequants. Zum gedankenlosen "Quantensprung" im Gerede setzt an, wer nicht weiß, wovon er redet.
Wenn die Quanten springen
von Ralf Bülow. München (aus "Der Sprachdienst", 1985, H. 9/10, S 146, 147)
Ein Wort verbreitet sich: Der Quantensprung geht um. Siehe die Münchner Stadtzeitung Nr. 8/1985, wo es über einen Kabarettisten heißt: "Jockel Tschiersch hat sich als Darsteller nicht einfach nur verbessert, er hat einen wahren Quantensprung geschafft." Siehe die Zeit Nr. 20/1985, wo wir in einem Artikel zum vieldiskutierten SDI- Programm lesen: Und schließlich, dies wird den Europäern als zusätzliches Bonbon angeboten, soll die Beteiligung am Weltraumverteidigungssystem auch einen Quantensprung für die Wissenschaft und Technik des alten Kontinents bewirken. "Siehe die Neue Zeit Nr. 6/1985 (nicht verwandt mit der alten, sondern eine Zeitung aus der New-Age-Szene) "Heute finden in allen Bereichen unserer Gesellschaft gewaltige und größtenteils unerwartete Quantensprünge statt".
Lesen wir die Zitate im Zusammenhang, so können wir die folgende Definition erschließen: Ein Quantensprung ist ein großer, in relativ kurzer Zeit stattlfindender Fortschritt, der sich eher auf qualitativer denn auf quantitativer Ebene abspielt. Es handelt sich ungefähr, um das, was früher als "Durchbruch", "Meilenstein" oder "technisch-wissenschaftliche Revolution" bezeichnet wurde. Hat das Wort vielleicht etwas mit dem umgangssprachlichen Ausdruck Quanten zu tun? Heinz Küppers Illustriertem Lexikon der deutschen Umgangssprache (Stuttgart, 1984) entnehmen wir, daß das Wort ursprünglich dicke Fausthandschuhe meinte und nach 1900 auf plumpe Hände und Füße übertragen wurde; es kann außerdem "große, breite Schuhe" bedeuten. Es ist also zumindest denkbar, daß der Quantensprung, wie wir ihn gerade definiert haben, in der menschlichen Sphäre "fußt", belegen läßt sich diese Etymologie jedoch nicht. Vielmehr weist alles auf eine Herkunft des Wortes aus der Physik, und um sie zu klären, müssen wir den Leser ein wenig in die Wissenschaftsgeschichte entführen.
Vor dem 1. Weltkrieg begründeten Max Planck, Albert Einstein und Niels Bohr die Quantentheorie der Materie, genauer gesagt die "alte" Quantentheorie, denn etwa um 1926 wurde sie von einer neuen, verbesserten Fassung abgelöst, die auf Werner Heisenberg und andere Physiker - darunter wiederum Niels Bohr - zurückgeht. Die Grundlage der ersten Fassung bildete das Bohrsche Atommodell, das der Leser und die Leserin vielleicht aus der Physikstunde kennen. Hierbei umkreisen negativ geladene Elektronen auf ganz bestimmten Bahnen den elektrisch positiven Atomkern, der aus Protonen und Neutronen zusammengesetzt ist; das Ganze erinnert an ein winziges Planetensystem. Abhängig von der Verteilung der Elektronen auf die einzelnen Umlaufbahnen, kann das Atom in verschiedenen Energiezuständen existieren, und beim Übergang von einem hohen zu einem niedrigeren Zustand strahlt es ein Lichtquant aus, sozusagen eine kleine Energieportion. Umgekehrt führt die Aufnahme eines Quants dazu, daß das Atom auf ein höheres Energieniveau angehoben wird. In den zwanziger Jahren nun bürgerte sich unter den Physikern für jene Übergänge die Bezeichnung Quantensprung ein2. Wer sie zum ersten Mal gebrauchte, wissen wir nicht; die früheste schriftliche Erwähnung, auf die wir stießen, findet sich in einem Aufsatz von Max Born aus dem Jahre 1924 (siehe Dokumente der Naturwissenschaft, Band 2, Stuttgart, 1962, S. 33). Born benutzte den Ausdruck auch in seinen Vorlesungen über Atommechanik, die 1925 als Buch herauskamen und dort den Registereintrag "Quantensprung" aufweisen. Die sekundäre Bedeutung muß also irgendwann zwischen 1925 und 1985 aufgekommen sein.
Wir wollen nicht ausschließen, daß dies zuerst im deutschen Sprachraum geschah. Es gibt einen frühen Beleg aus dem Jahre 1962, und zwar - ein dickes Lob dem Deutschen Fremdwörterbuch von Schulz/Basler/Kirkness et. al. (3. Bd., 1977, S. 23) für den Hinweis - in der Aufsatzsammlung Homo Creator (Wiesbaden, 1962, S. 215) des Soziologen Wilhelm E. Mühlmann. Der Autor vergleicht dort das Entstehen einer neuen Religion auf der Basis einer älteren mit einem »historischen ) Quantensprung«. Ungleich mehr Belege finden wir allerdings im Englischen. Diverse amerikanische Lexika fuhren quantum jump mit der übertragenen Bedeutung, so etwa Webster 's Ninth New Collegiate Dictionary (Springfield, 1983): "2. an abrupt change, sudden increase, or dramatic advange - called also quantum leap." Schon vorher brachte The Barnhart Dictionary of New English Since 1963 (Bronnville, 1973) zwei Zitate mit quantum jump bzw. quantum leap in der neuen Verwendung, beide aus dem Jahr 1970. Seit kurzem kann man einen quantum leap übrigens käuflich erwerben: So nennt sich das jüngste Produkt der britischen Computerfirma Sinclair (meist abgekürzt als "Sinclair QL"). Woher kommt nun diese Beliebtheit?
Vielleicht daher, daß das englische quantum auch 'große Menge' heißt; im amerikanischen Englisch existiert es sogar als Adjektiv im Sinne von "groß" oder "bedeutend" (belegt seit 1942, siehe den Webster sowie The Second Banhart Dictionary of New English, Bronxville, 1980). Ein quantum jump läßt sich also ganz wörtlich als "großer Sprung" deuten. Dazu kommt dann die Beziehung zu einer geheimnisvollen wissenschaftlichen Theorie, was den Reiz der Bezeichnung sicher nicht kleiner macht. Damit schließt sich der Kreis: Zur möglichen deutschen Überlieferung tritt die Rückübersetzung aus dem Englischen, und ein neues Modewort ist geboren. Wir sollten jedoch nicht übersehen, daß der Quantensprung bei uns wieder in seiner nackten physikalischen Gestalt erscheint, und diese läßt sich durch noch so viele Nebenbedeutungen nicht verhüllen. Es hört sich schon merkwürdig an, wenn ein Mensch aus Fleisch und Blut mit einem Ausdruck beschrieben wird, der dem Reich der Elektronen und Atome entstammt, aber vielleicht paßt dieser um so besser in unsere merkwürdige, Welt voller Elektronengehirne und Atomsprengköpfe.
2) Die "neue" Quantentheorie von Heisenberg et. al. definiert den Quantensprung ohne Bezug auf das Bohrsche Atommodell. Für Fachleute sei angemerkt, daß Werner Heisenberg in den fünfziger Jahren eine weitere Definition (?) einführte, nämlich als "Kollaps der Wellenfunktion beim Doppelspaltversuch". Dieser Quantensprungbegriff tauchte später dann im New-Age-Physikbuch Die tanzenden Wu li Meister des Amerikaners Gary Zukav auf (Reinbek, 1985, S.95).
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