Wie Quantenphänomene Schlüsseldienste leisten

Text: Rainer Kayser

Martin Plenios bahnbrechende Arbeiten zum Verständnis der Quantenphänomene haben eine Tür zu deren Nutzung in der Informationstechnik geöffnet. Am neu entstehenden Center for Quantum Engineering der Universität Ulm will Plenio jetzt neben der Quanteninformationstechnologie auch die Rolle von Quanteneffekten in der Biologie erforschen.

In der Welt der Atome versagen die Regeln der klassischen Physik – denn dort herrschen die Gesetze der Quantenphysik. Nicht nur Materie, auch Energie lässt sich nicht beliebig zerkleinern, sondern tritt in winzigen Portionen, den „Quanten“, auf. Je nach Betrachtung erscheinen die kleinsten Bausteine der Materie mal als Welle, mal als Teilchen, sie können gleichzeitig zwei oder mehr unterschiedliche Zustände einnehmen, und weit entfernte Teilchen bleiben auf eine unserem Alltagsverständnis widersprechende Weise miteinander in Kontakt.

Martin Plenio fühlt sich in dieser Welt zu Hause. „Ich versuche, die Quantenphänomene zu verstehen und sie technisch nutzbar zu machen“, erklärt der gebürtige Kasseler, der vom Imperial College in London zurück nach Deutschland kommt. Dabei richtet Plenio sein Augenmerk vor allem auf die Quanteninformationstechnik – also auf die Anwendung von Quantenphänomenen bei der Datenverarbeitung und -übertragung. Quantencomputer beispielsweise könnten sehr viel schneller rechnen als konventionelle Computer, weil sie die Überlagerung von Zuständen
in Vielteilchen-Quantensystemen nutzen.

Plenios Arbeiten haben ihm zu höchstem internationalem Ansehen verholfen. Mithilfe der Humboldt-Professur kann er sie nun ohne Bruch am neu entstehenden Center for Quantum Engineering der Universität Ulm fortsetzen und dafür praktisch seine gesamte Arbeitsgruppe aus London mit nach Deutschland bringen. „Hinzu kommt, dass es in Ulm viele hochkarätige Experimentalphysiker gibt, mit denen wir künftig zusammenarbeiten können“, freut sich der Wissenschaftler, der einst mit einem Stipendium der Alexander von Humboldt-Stiftung nach London gegangen war.

Plenio ist theoretischer Physiker, hat bei seiner Arbeit aber stets auch mögliche Anwendungen im Blick und setzt stark auf experimentelle Überprüfung: „Ich stehe zwar nicht selbst im Labor, arbeite aber eng mit Experimentalphysikern zusammen.“ So lassen sich einerseits theoretische Überlegungen sofort im Versuch testen. Andererseits können die Ergebnisse dieser Experimente sogleich wieder in die Theorie einfließen.

Revolution in IT- und Energietechnik
Der Quantenphysiker hat sich insbesondere mit seinen Arbeiten über die sogenannte Verschränkung einen Namen in der Fachwelt gemacht. Bei diesem Phänomen lassen sich zwei oder mehr Teilchen nur noch als Gesamtsystem beschreiben. Anders ausgedrückt: Die Zustände der Teilchen sind miteinander verknüpft, egal wie weit sie räumlich voneinander getrennt sind. Von Albert Einstein zunächst als „spukhafte Fernwirkung“ abgelehnt, ist die Verschränkung heute durch zahlreiche Experimente belegt.

Das Verständnis dieser Verschränkung ist von unmittelbarem praktischem Nutzen, wie ein Beispiel zeigt. Bei Photonen, den Energiequanten des Lichts – allgemeiner: der elektromagnetischen Strahlung –, bezieht sich die Verschränkung zumeist auf die Polarisation, also auf die Schwingungsrichtung des elektromagnetischen Feldes. Misst man in einem Experiment die Polarisation eines Photons eines verschränkten Paares, so ist damit sofort auch die Polarisation des anderen Photons festgelegt. Solch verschränkte Photonenpaare spielen beispielsweise für eine neue Verschlüsselungstechnik eine wichtige Rolle. In der sogenannten Quantenkryptografie dienen verschränkte Photonen zur sicheren Übertragung des Schlüssels – jeder Versuch, die Verbindung abzuhören, zerstört die Quantenkorrelationen und verrät dadurch den Lauschangriff. Plenio und seine Mitarbeiter haben unter anderem eine neue Methode zur effizienten Herstellung von weit entfernten verschränkten Teilchen entwickelt, die für die Quantenkryptografie von großer Bedeutung ist.

Zu Plenios herausragenden Arbeiten zählt außerdem die Weiterentwicklung der Verschränkungstheorie und speziell von Verschränkungsmaßen. „Damit können wir beziffern, wie stark die Quantenkorrelation ist“, erläutert der Forscher, „und auf diese Weise beispielsweise auch Aussagen über die Sicherheit bei Quanten-Informationsverfahren machen.“

In Ulm will Plenio erstens die theoretischen und experimentellen Grundlagen für die Kontrolle von Quantenphänomenen bei Atomen, Ionen und Photonen weiterentwickeln – eine Grundlage für die technische Anwendbarkeit. Zweitens plant er, die Funktion von Quantenphänomenen in der Biologie zu untersuchen. So spielen Quanteneffekte eine wichtige Rolle bei der Fotosynthese. Die vielfältigen Einflüsse aus der Umgebung – von den Physikern Rauschen genannt – sollten sich dabei störend auswirken. Doch Plenios Untersuchungen zeigen, das Gegenteil ist der Fall: „Die Natur scheint den Einfluss des Rauschens auf die Quanteneffekte zu nutzen, um den Energietransport zu verbessern.“ Dies erhöht wesentlich die Effizienz des Energietransports in Pflanzen und Bakterien. „Das ist eine völlig neue Richtung, die durch aktuelle experimentelle Fortschritte jetzt zu einem brandheißen Forschungsgebiet wird.“ Ein tief greifendes Verständnis der Vorgänge könnte zur Entwicklung erheblich besserer Solarzellen führen. Quantenphänomene könnten also schon bald nicht nur die Informations-, sondern auch die Energietechnik revolutionieren.