Quantenphysik - © Foto: ÖAW

"Wir beamen quer durch Wien"

1945 1960 1980 2000 2020

Quantenphysiker Anton Zeilinger, der österreichische "Vater des Beamens", über die faszinierenden Möglichkeiten des Quantencomputers und die Technologien von morgen.

1945 1960 1980 2000 2020

Quantenphysiker Anton Zeilinger, der österreichische "Vater des Beamens", über die faszinierenden Möglichkeiten des Quantencomputers und die Technologien von morgen.

Anton Zeilinger und seiner Arbeitsgruppe gelang vor eineinhalb Jahren mit der "Quantenteleportation" von Photonen ein Experiment, das weltweit Aufsehen erregte. Es wurde international von der Presse als erste Stufe des "Beamens" a la "Raumschiff Enterprise" gefeiert. In absehbarer Zeit wird man allerdings größere Objekte nicht beamen können, so Zeilinger, weil niemand weiß, wie man diese in einen Quantenzustand bringen kann. Je größer ein Objekt nämlich wird, umso empfindlicher wird sein Quantenzustand auch nur gegen kleinste Störungen. Solche Störungen treten alleine schon wegen der Wärmestrahlung der Umgebung auf. Zeilinger ist aber überzeugt, daß Quantenphänomene beispielsweise in der Informationsverarbeitung künftig eine zentrale Rolle einnehmen werden. Ein mögliches Anwendungsgebiet ist die Entwicklung eines völlig neuen Rechnertypus: der sogenannte Quantencomputer.

DIE FURCHE: Sie sind durch das geglückte Experiment der Quantenteleportation, vielen besser bekannt als "Beamen", weltberühmt geworden. Dabei wird der Zustand eines Teilchens zeitgleich auf ein anderes übertragen. Woran arbeiten Sie jetzt?

Anton Zeilinger: Bisher hat dieses Experiment nur über kurze Entfernungen funktioniert, typischerweise über ein, zwei Meter. Wir wollen das jetzt einmal über größere Entfernungen probieren, über ein paar 100 Meter oder sogar Kilometer, quer durch Wien. Dazu brauchen wir ganz spezielle Glasfaserkabel. Die haben wir schon, jetzt müssen wir nur überlegen, wo wir die Kabel verlegen können. Von unserem Institut (Strudlhofgasse im 9. Wiener Gemeindebezirk, Anm. d. Red.) zum Hauptgebäude der Uni, das wäre schon interessant. Das ist eine Entfernung, unter der sich jeder etwas vorstellen kann.

Anton Zeilinger und seiner Arbeitsgruppe gelang vor eineinhalb Jahren mit der "Quantenteleportation" von Photonen ein Experiment, das weltweit Aufsehen erregte. Es wurde international von der Presse als erste Stufe des "Beamens" a la "Raumschiff Enterprise" gefeiert. In absehbarer Zeit wird man allerdings größere Objekte nicht beamen können, so Zeilinger, weil niemand weiß, wie man diese in einen Quantenzustand bringen kann. Je größer ein Objekt nämlich wird, umso empfindlicher wird sein Quantenzustand auch nur gegen kleinste Störungen. Solche Störungen treten alleine schon wegen der Wärmestrahlung der Umgebung auf. Zeilinger ist aber überzeugt, daß Quantenphänomene beispielsweise in der Informationsverarbeitung künftig eine zentrale Rolle einnehmen werden. Ein mögliches Anwendungsgebiet ist die Entwicklung eines völlig neuen Rechnertypus: der sogenannte Quantencomputer.

DIE FURCHE: Sie sind durch das geglückte Experiment der Quantenteleportation, vielen besser bekannt als "Beamen", weltberühmt geworden. Dabei wird der Zustand eines Teilchens zeitgleich auf ein anderes übertragen. Woran arbeiten Sie jetzt?

Anton Zeilinger: Bisher hat dieses Experiment nur über kurze Entfernungen funktioniert, typischerweise über ein, zwei Meter. Wir wollen das jetzt einmal über größere Entfernungen probieren, über ein paar 100 Meter oder sogar Kilometer, quer durch Wien. Dazu brauchen wir ganz spezielle Glasfaserkabel. Die haben wir schon, jetzt müssen wir nur überlegen, wo wir die Kabel verlegen können. Von unserem Institut (Strudlhofgasse im 9. Wiener Gemeindebezirk, Anm. d. Red.) zum Hauptgebäude der Uni, das wäre schon interessant. Das ist eine Entfernung, unter der sich jeder etwas vorstellen kann.

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DIE FURCHE: Das "Beamen" ist vielen Menschen von Science-fiction-Romanen geläufig. Ist dieser Ausdruck für Ihr Experiment zulässig?

Zeilinger: Wenn man mit einem im Volksmund geläufigen Namen ein physikalisches Phänomen beschreibt, dann paßt das immer nur zum Teil. Ein berühmtes Beispiel aus der Geschichte ist das Wort Energie. Was man im Volksmund unter Energie versteht ist etwas anderes, als was der Physiker darunter versteht. Aber doch nicht so anders, als daß es nicht einen Sinn machen würde, dieses Wort zu verwenden. Und genauso ist es mit der Teleportation und dem Beamen. So wie es in den Science-fiction-Romanen beschrieben wird, also daß man dabei die gesamte Information eines Objektes in irgendeiner Form erfaßt und zugleich dieses Objekt an einem anderen Ort wieder zusammensetzt, so ist es natürlich nicht. Die Quantenmechanik verbietet das sogar. Nach den Gesetzen der Quantenmechanik ist es nicht möglich, die gesamte Information eines Objektes zu kennen. Als Beamen bezeichnen kann man aber den Transport der Information von einem Ort A zu einem anderen Ort B, ohne daß dabei der Träger der Information ebenfalls transportiert wird. Daß das Empfängerobjekt mit dem Original vollkommen identisch ist, und daß das Original bei dieser Prozedur verschwindet, das könnte man ebenfalls als Beamen bezeichnen. Wir sehen also, daß es zwischen der Teleportation und dem Beamen in Science-fiction-Romanen gewisse Parallelen gibt. Das ist die Verwirklichung einer alten Idee. Nicht ganz so wie man sich das vorgestellt hat, dennoch in einer halbwegs brauchbaren Weise.

DIE FURCHE: Also ist es zulässig zu sagen, daß Sie ein Teilchen quer durch Wien beamen werden.

Zeilinger: (lacht) So ungefähr. Aber das wird schon noch eine Weile dauern. Ich schätze ein, zwei Jahre, denn diese Experimente sind ziemlich mühsam.

DIE FURCHE: Eine mögliche praktische Anwendung wäre der Quantencomputer: Wie soll das funktionieren?

Zeilinger: Information muß immer in irgendeiner Form physikalisch dargestellt werden. Ein Computer, so wie er heute funktioniert, benutzt zur Informationsspeicherung elektrische Signale. In einem Quantencomputer wird die Information in Quantensystemen gespeichert, also in einzelnen Teilchen. Das Neue daran ist, daß Quantensysteme in einem eigenartigen Überlagerungszustand bestehen können, wir nennen das die quantenmechanische Superposition, eine Überlagerung von mehreren Möglichkeiten zur gleichen Zeit. Ein Quantenbit kann gleichzeitig den Wert Null und Eins tragen, bei einem klassischen Bit gibt es nur ein Entweder-Oder. Mit einem Quantencomputer kann man daher viele Informationen gleichzeitig verarbeiten, ein klassischer Computer muß das nacheinander machen. Daraus ergibt sich etwa die Möglichkeit, sich alle Resultate gleichzeitig ausrechnen zu lassen.

DIE FURCHE: Was bedeutet das praktisch?

Zeilinger: Das ist genau die Frage, die man heute nicht beantworten kann. Wir haben aus der Geschichte der Naturwissenschaften folgendes gelernt: Jedesmal, wenn eine grundlegend neue Idee aufkam, hat das immer auch zu einer neuen Technologie geführt. Die konkreten Ideen, die man dazu am Anfang gehabt hat, die waren meistens nicht richtig, weil man sich noch gar nicht vorstellen konnte, was die neue Technologie bringen kann. Ein gutes Beispiel dafür ist die Entdeckung der Radiowellen von Heinrich Hertz. Er bezeichnete die Wellen damals vollkommen abstrakt als "dielektrische Verschiebung". Als Hertz die Radiowellen nachgewiesen hat, da hat absolut noch niemand daran gedacht, daß man Radiowellen auch zur Informationsübertragung verwenden kann, geschweige denn, daß es einmal Handys geben wird.

DIE FURCHE: Trauen Sie sich heute noch nicht zu sagen, welche Einsatzgebiete die Quantenteleportation einmal haben könnte?

Zeilinger: Sagen wir so, ich bin mir sehr sicher, daß das zu einer neuen Technologie führen wird.

DIE FURCHE: Also eine Schlüsseltechnologie für das nächste Jahrhundert?

Zeilinger: Ich denke schon. Quantenphänomene werden in der Informationsverarbeitung wichtig werden, das ist überhaupt keine Frage. Wenn man einen Quantencomputer hätte, dann könnte man einige Dinge sehr viel schneller machen. Da gibt es bereits ganz konkrete und verblüffende Beispiele dafür, etwa das Knacken von verschlüsselten Codes, beispielsweise Codes auf Scheckkarten. Das könnte man mit einem Quantencomputer blitzartig lösen. Das geht mit einem normalen Computer nicht. Das hat auch eine enorme wirtschaftliche Bedeutung. Denn wenn man diese Codes knacken kann, dann muß man sich zum Verschlüsseln von Informationen etwas Neues einfallen lassen. Wenn man von Geheimcodes redet, dann denken alle an das Militär. Aber nur etwa drei Prozent aller Anwendungen von Verschlüsselungen fallen in diesen Bereich.

DIE FURCHE: Wann wird der Quantencomputer Realität?

Zeilinger: Ich würde sagen, wir brauchen von jetzt an gerechnet eine Vorlaufzeit von ungefähr 20 Jahren. Dann haben wir die ersten einfachen Systeme.

DIE FURCHE: Sie haben bei einer Enquete im Jänner gemeint, wir werden erleben, daß die Grenze Mensch-Maschine verschwindet. Wenn Computer das Denken übernehmen, dann stellt sich für uns die Sinnfrage. Könnte das durch den Quantencomputer der Fall sein?

Zeilinger: Die generelle Frage ist: Was ist der Mensch? Man hat immer versucht, den Menschen als ein Wesen zu definieren, das irgend etwas ganz besonders gut kann. Daß wir besonders gut komplizierte Sachen analysieren können, das ist es offenbar nicht. Das kann der Computer besser. Auf der anderen Seite hat der Mensch im Gegensatz zum Computer Emotionen. Dann ist aber die Grenze Mensch-Tier verschwommen. Wir werden durch diese Entwicklungen lernen, etwas bescheidener und weniger arrogant zu sein. Das habe ich damit gemeint.

DIE FURCHE: Welche Technologien werden noch wichtig werden?

Zeilinger: Ein ganz breites Thema ist natürlich die Informationstechnologie. Wir haben erst die erste Stufe erreicht, wenn in jedem Haushalt ein Computer steht. Was wir künftig brauchen, und was auch sicherlich kommen wird, sind spezialisierte Maschinen, die nur eine bestimmte Tätigkeit erledigen. Das aber viel besser und schneller als bisher. Auch werden wir uns weniger damit auseinandersetzen müssen, wie man mit diesen Maschinen umgeht. So wie beim Auto. Da muß ich auch nicht wissen, wie das funktioniert, um damit zu fahren. Ich muß nicht irgend etwas zusammenstecken oder installieren. Die nächste Welle beim Handy wird sein, daß ich nicht mehr die Nummern langwierig eintippen muß, weil da ein kleiner Computer drinnen sitzt, der meine Sprache versteht. Ich muß dann nur noch sagen, daß ich mit Franz sprechen möchte, und der Computer wählt ihn an. Wenn ich im Supermarkt stehe und etwas einkaufen will, dann werde ich zu Hause nachschauen können, was noch alles im Eiskasten ist, natürlich auch mit verbaler Kommunikation. Ebenfalls immer besser werden die Kommunikationsmöglichkeiten über große Entfernungen. Das Reisen, um an Konferenzen teilzunehmen, wird wegfallen. Auch auf dem Gebiet der Nanotechnologie tut sich einiges. Sicher kommen werden etwa Operationsroboter. Winzige Maschinen, die durch unsere Blutadern marschieren, um etwas zu reparieren und die von außen gesteuert werden. Ich kann mit Nanotechnologie auf molekularer Ebene manipulieren, ich kann einzelne Dinge so zusammenbauen, wie ich sie haben will. Ein wichtiges Gebiet ist auch die Entwicklung neuer Werkstoffe, die beispielsweise sehr viel härter, fester und gleichzeitig viel leichter als herkömmliche Werkstoffe sind.

DIE FURCHE: Was wird sich auf dem Gebiet der Energiegewinnung tun?

Zeilinger: Die Energiegewinnung durch Sonne, Wind oder Erdwärme, das werden nur Nischentechnologien bleiben. Auch bei der viel beschworenen Kernfusion bin ich eher skeptisch. Im großen Maßstab gibt es, glaube ich, letztendlich nur zwei Technologien, die sich durchsetzen werden. Die eine ist, so böse es klingt, die normale Atomenergie. Auf der anderen Seite sehe ich die Energieerzeugung durch große Satelliten mit großen Sonnenkraftwerken in der Erdumlaufbahn. Das ist wahrscheinlich langfristig, da reden wir aber in Zeiträumen von 50 bis 100 Jahren, die interessantere und logischste Form der Energiegewinnung. Die offene Frage ist heute, wie man die Energie von den Satelliten zur Erde übertragen kann. Das müßte über elektromagnetische Wellen funktionieren. Wir lernen zur Zeit sehr viel darüber, und wir müssen auf diesem Gebiet einfach ausprobieren, wo die Grenzen sind.

Anton Zeilinger, geboren 1945, promovierte 1971 zum Dr. phil. an der Universität Wien. Nach einem Aufenthalt am renommierten MIT in den USA habilitierte er an der Technischen Universität (TU) Wien. Es folgten zahlreiche Gastprofessuren und -lektorate im Ausland. Von 1988 bis 1989 war Zeilinger Universitätsprofessor an der TU München. Bis Februar 1999 lehrte Zeilinger als ordentlicher Professor an der Universität Innsbruck, wo er auch seine Experimente zur Quantenteleportation durchführte. Seit Februar 1999 ist Zeilinger Ordinarius am Instituts für Experimentalphysik an der Universität Wien. Zeilinger ist Träger zahlreicher internationaler Preise und Auszeichnungen, gibt etliche wissenschaftliche Publikationen heraus und bekleidet verschiedenste wissenschaftliche Funktionen.

Anton Zeilinger, geboren 1945, promovierte 1971 zum Dr. phil. an der Universität Wien. Nach einem Aufenthalt am renommierten MIT in den USA habilitierte er an der Technischen Universität (TU) Wien. Es folgten zahlreiche Gastprofessuren und -lektorate im Ausland. Von 1988 bis 1989 war Zeilinger Universitätsprofessor an der TU München. Bis Februar 1999 lehrte Zeilinger als ordentlicher Professor an der Universität Innsbruck, wo er auch seine Experimente zur Quantenteleportation durchführte. Seit Februar 1999 ist Zeilinger Ordinarius am Instituts für Experimentalphysik an der Universität Wien. Zeilinger ist Träger zahlreicher internationaler Preise und Auszeichnungen, gibt etliche wissenschaftliche Publikationen heraus und bekleidet verschiedenste wissenschaftliche Funktionen.

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