Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe Quanteninformationstheorie

Signale aus der Superposition

Quantencomputer gibt es nicht. Vielleicht können solche Rechner, die an Stelle von elektrischer Leitfähigkeit auf nicht-klassische Eigenschaften der Materie bauen, bald hergestellt werden, vielleicht bleibt das noch lang ein Wunschtraum. Dagegen ist die Quanteninformationstheorie weit fortgeschritten, und das Teilgebiet der Quantenkommunikation kommt auch ohne die neuartigen Computer aus. "Wir wollen herausfinden, was man heute schon machen kann und machen sollte", umreißt Dr. Norbert Lütkenhaus das Programm, dem er und seine zwei Mitarbeiter sich verschrieben haben. Das Arbeitsgebiet mag fantastisch wirken; der Ansatz der Gruppe am Physikalischen Institut der FAU ist pragmatisch.

 

Ansatz, Vorgehensweise und die Richtung, die seine Forschungen einschlagen, kann Dr. Lütkenhaus bestimmen. Seine Teammitglieder - den Doktoranden Marcos Curty und Dr. Peter van Loock als Postdoc - hat er selbst ausgesucht. Das Emmy-Noether-Programm der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), das die Einrichtung der Nachwuchsgruppe Quanteninformationstheorie im September 2001 ermöglichte, lässt sorgfältig ausgewählten jungen Wissenschaftlern große Freiräume.

Eben diese Unabhängigkeit hat Norbert Lütkenhaus dazu bewogen, eine gut dotierte Stelle in einem Technologieunternehmen in den USA aufzugeben und nach Deutschland zurückzukehren, um ein auf höchstens vier Jahre begrenztes Projekt zu übernehmen. Die Entscheidung fiel ihm nicht leicht, doch er hatte erlebt, dass die Arbeit in einem Unternehmen mehr und mehr "ins Management führt". Ein sehr junges Feld der Forschung ganz nach eigenen Vorstellungen zu beackern, war von größerem Reiz. Am Lehrstuhl für Optik von Prof. Dr. Gerd Leuchs, der das Drei-Mann-Team unterstützt, findet sich in der Arbeitsgruppe zur Quanteninformationsverarbeitung unter Leitung von Dr. Natalia Korolkova die ideale thematische Ergänzung.

 

Mehr als alle Zeit des Universums
Wenn sie gebaut werden könnten, würden Quantencomputer bestimmte Aufgaben unvergleichlich schneller und effektiver lösen als die ausgeklügeltsten Hochleistungsrechner vom konventionellen Typus. Deren Arbeits- und Speicherkapazität kann erstaunlich rasch überfordert sein. Manche Probleme sind heute für eine bestimmte Eingabelänge innerhalb einer Sekunde lösbar. Für eine doppelt so lange Eingabe sind bereits Rechenzeiten erforderlich, die weit über der Lebensdauer unseres Universums liegen. Wo ein geringfügiger Anstieg der Problemgröße die Anzahl der Schritte zur Lösung derart vermehrt, hilft der Zuwachs an Leistung und Geschwindigkeit, den der technische Fortschritt bei klassischen Rechensystemen liefert, nicht weiter.

Ein Beispiel für ein solches Problem ist die Zerlegung großer Zahlen in die Primzahlen, durch die sie geteilt werden können. Die abhörsichere Übertragung von Daten ist darauf gegründet, dass kein Weg bekannt ist, diese Aufgabe mit konventionellen Rechnern zu bewältigen - allerdings nur, weil sie dafür viel zu lange brauchen. So wird der Begrenztheit ein nützlicher Effekt abgewonnen. Bewiesen ist außerdem, dass Quantencomputer an dieser Hürde nicht scheitern würden und gebräuchliche Codes knacken könnten. Mit der Geheimhaltung von Botschaften, die auf elektronischem Weg versendet werden, wäre es dann vorbei.

Die Theorie, die den wunden Punkt der gängigen Verschlüsselungssysteme offenlegt, liefert zugleich die Basis für eine neue, sichere Verteidigungslinie. Werden quantenmechanische Signale eingesetzt, ist die Abhörsicherheit der Datenübertragung durch die Naturgesetze garantiert. Der Lauscher, der sich in die Kommunikation einzuschalten versucht, verrät sich, weil er dabei die Signale verändert. Allerdings sind die hier benötigten Quantenzustände recht empfindlich gegen Verluste und Rauschen in der Übertragung, so dass zwei Kommunikationspartner - von den Informationstheoretikern stets "Alice" und "Bob" genannt - nicht genau wissen können, ob "Eve" als Dritte mithört oder andere Fehler aufgetreten sind. Daher muss sichergestellt werden, dass jeder Abhörversuch misslingt.

Die Forschungsgruppe sucht nach Verschlüsselungsmethoden, die optimalen Schutz bieten und praktikabel sind. Zum Test neuer Ideen für die Quantenkryptographie treten die Teammitglieder manchmal als Verteidiger der Privatsphäre und Spion gegeneinander an. "Die Rolle der Eve mag ich am liebsten", verrät Norbert Lütkenhaus. "Es macht Spaß, den Hebel zu finden, mit dem man einbrechen kann, und dann die Schwachstelle zu minimieren." Wenn Signalzustände geschickt gewählt werden, so dass sie einfach zu verwirklichen sind und ein tolerierbares Maß an Empfindlichkeit aufweisen, sind außer der Geheimhaltung von Nachrichten weitere Anwendungen denkbar, die Probleme der heutigen Kommunikationstheorie überwinden können.

 

Unbegrenzte Möglichkeiten
Wie lassen sich diese Zustände kennzeichnen, die zumindest in der Theorie kontrollierbar sind, was würde Quantencomputern ihre Überlegenheit verleihen? Die Schwierigkeit, dies begreiflich zu machen, liegt darin, dass es in unserem Alltag nichts Vergleichbares gibt. Menschliches Verstehen beruht auf Analogien zu Bekanntem. Wir gehen davon aus, dass ein bestimmter Tatbestand jede Alternative ausschließt. Superposition bedeutet dagegen ein Nebeneinander mehrerer Möglichkeiten, das so lange bestehen bleibt, bis eine davon bei der Messung an einem System real wird. Zuvor jedoch lassen sich Superpositionen ausnutzen, um globale, für alle Möglichkeiten gültige Eigenschaften auszulesen und zu bestimmen.

Dass Licht als Teilchen und als Welle betrachtet werden kann, dass Lichtwellen einander ähnlich wie die Wellen einer Meeresoberfläche auf komplizierte Weise überlagern, öffnet eine Hintertür zu Bildern aus der Erfahrung. Überlagerungszustände in prinzipiell unbegrenzter Zahl kennt nicht nur das Licht, sie sind im atomaren Bereich der Normalfall. Seit den Anfängen der Quantenphysik versuchen Wissenschaftler zu verstehen, auf welche Weise eine Messung zur Auswahl einer Möglichkeit führt. Weitergekommen ist man eigentlich nicht. Das ist jedoch kein Hindernis für moderne Forschung. "Ich muss das nicht verstehen, ich muss damit umgehen können", sagt Dr. Lütkenhaus.

Lichtstrahlen machen es heute schon möglich, einiges von dem zu verwirklichen, was die Quanteninformationstheorie an Vorschlägen bietet. Licht lässt sich manipulieren, beispielsweise über teildurchlässige Spiegel. Es kann polarisiert werden und hält dann eine bestimmte, erkennbare Schwingungsrichtung ein. Damit sind Verfahren der Quantenkryptographie realisierbar.

Einige Probleme begrenzen allerdings bisher die Reichweite der Methode: Glasfaserkabel, die Licht weiterleiten, drehen die Polarisation und verlieren unterwegs an "Fracht". Um die extrem schwachen Signale nachzuweisen, sind aufwändige Technologien erforderlich. Trotzdem können Distanzen von etwa zehn Kilometern in Glasfasern oder, wie eine Münchner Arbeitsgruppe demonstriert hat, auf direktem Weg durch die Luft mittels schwacher Laserpulse überwunden werden. Diese Technik ließe sich zum Beispiel zwischen Hochhäusern in Ballungsgebieten oder vom Erdboden zu Satelliten einsetzen.

Obwohl heute noch keine universelle Maschine mit Quantenzuständen arbeitet, fehlt es also nicht an Techniken, die jetzt schon Bausteine dazu heranschaffen. Manche Puzzleteile greifen so weit ineinander, dass einzelne Umsetzungen der Informationstheorie möglich sind. Die Nachwuchsgruppe in Erlangen orientiert sich am Anwendbaren und behält dabei das Gesamtbild im Auge, dessen Konturen sich allmählich abzeichnen. Ein weitgehend solides und erprobtes theoretisches Fundament wartet auf seinen Einsatz. Dr. Lütkenhaus schildert die Situation so: "Bisher wurden noch nicht einmal Quanten-Taschenrechner gebaut, aber die Programme für den Quantencomputer stehen schon bereit!"

Informationen über das Emmy-Noether-Programm der DFG sind im Internet unter www.dfg.de/aufgaben/emmy_noether_programm.html zu finden. Die Nachwuchsgruppe Quanteninformationstheorie präsentiert sich unter www.optik.uni-erlangen.de/leuchs/qit/.

 

Weitere Informationen

Dr. Norbert Lütkenhaus
Tel.: 09131/85 -28375
luetkenhaus@physik.uni-erlangen.de






 

Kann "Eve" den Datenaustausch von "Bob" und "Alice" belauschen? Dr. Norbert Lütkenhaus (rechts) diskutiert Methoden der Geheimhaltung durch den Einsatz der Quantenkommunikation mit seinen Mitarbeitern Marcos Curty und Dr. Peter van Look.

Foto: FAU

 



Mediendienst FORSCHUNG Nr. 623 vom 13.03.2002




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