Atomphysik für Nerds – 2307

Lesezeit 11 Minuten

1. Warum ich diese Zeilen hier verfasse? Nun: der Quantencomputer!

Die USA mit Google und Amazon, mehrere private Unternehmen – die Chinesen sowieso – arbeiten genau an dieser neuen Maschine – und selbst DE hat jetzt nochmal zwei Milliarden Eus an Fördergeldern rausgehauen, um hier nicht komplett jeden Anschluss zu verlieren.

Doch um was geht es? Ganz einfach: Aufgaben, an denen sich ein herkömmlicher Rechenknecht mehrere tausend Jahre die Chips heiß rechnen würde, erledigt diese neue Technologie in wenigen Sekunden!

Der Unterschied in der Rechenleistung zwischen einem Heim-PC und einem Quantencomputer ist dabei in etwa so groß wie der Unterschied zwischen einem Zeppelin und einem Hyperschall Jet – oder besser einer Saturn 5 Rakete!

Echtzeit Verkehrssimulation in großen Ballungsräumen, völlig neue Materialforschung oder medizinische Anwendungen und Simulationen, DNA Analyse, KI sowieso – mit Quantumcomputing alles jetzt kein Problem mehr.

Aber: Ein wirklich funktionierender Quantencomputer könnte allerdings auch jede komplexe kryptografische – auf Primzahlenzerlegung aufbauende – Verschlüsselung in wenigen Sekunden knacken! Alarm, sämtliche bisherige Datenverschlüsselung dieser Erde wäre sofort hinfällig! [Man munkelt übrigens, die drei Buchstaben Agentur hat so ein Ding schon lange im Keller stehen.]

Sicherlich kann es jetzt nun nicht schaden, hier einige physikalische Grundlagen und Theorien drauf zu haben, um im nächsten Gespräch mit Kollegen über diese Sache als Schlaubi Schlumpf dazustehen und Plan zu haben. Mega interessant und spannend ist es ohnehin – die Astrophysik mit ihrer komischen dunklen Materie und Energie kann dagegen einpacken – also auf zur Teilchenphysik und Atomtheorie.

Und weiter geht es im bunten Galopp – und vielleicht ist es jetzt an der Zeit, eine deutliche Warnung auszusprechen. Quantenphysik – also das Verhalten der aller kleinsten Teilchen – hat nichts, aber überhaupt nichts mehr mit unserer alltäglichen Erfahrungswelt zu tun und unser Hirn ist hier glatt überfordert!

Beschäftigt man sich zu lange damit, kann es passieren, dass man sich ganz schnell in einer dieser schicken weißen Jacken mit den zu langen Ärmeln, die man auf dem Rücken zusammenbinden kann, wiederfindet – auf zwei mal zwei Metern mit Wänden aus Gummi.

Dennoch ist die Quantenphysik, auch wenn wir sie mit unserem herkömmlichen Gehirn nicht mehr verstehen können, das Beste, was wir heute haben – ohne sie gäbe es keine Laser, keine bildgebenden Verfahren in der Medizin, keine Solarzellen und vieles mehr.

Zum Einstieg aber zuerst einmal etwas klassische Teilchenphysik:

Atomos, also das Unteilbare, nannten schon die alten Griechen in einem mehr philosophischen Ansatz die Urbausteine der Materie – Teilchenbeschleuniger und die Physik dazu gab es damals ja noch nicht.

 

2. Niels Bohr und die klassische Theorie

Erst Niels Bohr, dänischer und genialer Physiker 1885 – 1962, beschrieb den einsamen Lauf eines elektrisch negativ geladenen Elektrons in genau definierten Abständen, also Bahnen bzw. Schalen um seinen positiv geladenen Atomkern.

Very freaky stuff: Stelle dir jetzt nun ein Atom wie z.B. Wasserstoff als ein riesengroßes Fußballstadion vor, so zieht das Elektron seine einsamen Bahnen über die äußersten Besucherränge. Der Kern, also das Proton, liegt dann auf dem Anstoßpunkt in der Mitte des Spielfelds und hat die Größe eines Reiskorns, aber 99,5 Prozent der Masse des gesamten Atoms.

Chemische Bindung? Nach Bohr geht es ganz einfach um die äußerere Schale eines Atoms – die sogenannte Valenzschale – die immer mit Elektronen voll besetzt sein möchte bitteschön!

Sauerstoff z.B. hat jetzt allerdings nur sechs anstatt der nötigen acht Valenzelektronen zur vollen Besetzung in seiner äußeren Schale, und nun? Es teilt bzw. klaut sich halt die Elektronen zweier Wasserstoffatome, bindet diese damit an sich – und heraus kommt H2O, fertig! Kennen wir doch aus dem Chemieunterricht.

Negative und positive Ladungen ziehen sich gegenseitig an, einverstanden? Doch wieso stürzt jetzt nicht das negativ geladene Elektron in seinen positiv geladenen Kern, sondern zieht weiter unbeirrt seine Bahnen um diesen Kern?

3. Max Planck und das Quantum

Angefangen hat jetzt alles am Anfang des zwanzigsten Jahrhunderts mit Max Planck und der Spektralanalyse. Planck war damals ein noch eher unbedeutender Forscher in der damals noch eher unbedeutenden oder gar glorreichen theoretischen Physik und die Spektralanalyse ist gerade erst entdeckt worden – und war der neueste Hype!

In einem wenig spektakulären Experiment wollte Planck jetzt Strahlungsenergie genauer beobachten, erhitzte dazu einen Eisenklotz auf mehrere tausend Grad und beobachtete den Abkühlungsprozess eben dieses Klotzes mit dieser damals neuen und revolutionären Spektralanalyse.

Das Ergebnis daraus stürzte Planck in tiefe Depressionen – die Erklärung konnte letztendlich nur sein, dass die Energie im Abkühlungsprozess eben nicht gleichförmig wie in einer Gaußschen Glockenkurve, sondern in wohl definierten Paketen – eben in einem Quantum oder mehreren Quanten – abgegeben wird.

 

Flugs rechnete der Max aus seinen Daten noch das Plancksche Wirkungsquantum aus – die allerkleinste Wirkung bzw. Energiemenge, die es im Universum geben kann – formulierte noch die passende Gleichung dazu: E = h x f [Energie gleich Wirkungsquantum multipliziert mit der Frequenz] – und schon Stand die damalige Physik Kopf und der Grundstein der Quantenphysik war gelegt!

Albert Einstein stieg mit ein und konnte mit dieser neuen Theorie auf einmal seine völlig abstrusen experimentellen Ergebnisse zum photoelektrischen Effekt erklären und erhielt dafür 1921 den Nobelpreis – also nicht wie oft geglaubt für sein E = m x c² – und quasi von Planck geklaut.

Und es ging munter weiter mit Experimenten, dessen Ergebnisse völlig irre waren und die man sich damals noch überhaupt nicht erklären konnte.

Als nächstes berühmt wurde hier das Doppelspaltexperiment, was heute jeder halbwegs begabte Physiker mit entsprechendem Equipment nachbauen kann.

Schießt man nun ein Elektron auf ein Blech mit zwei Spalten, so sollte man meinen, das Elektron entscheidet sich für links oder rechts – tut es aber nicht, es geht durch beide Spalten gleichzeitig hindurch.

In der Auffangzone, heute sozusagen der Landing Page hinter dem Blech, bildet sich bei mehrfacher Wiederholung so etwas wie das Interferenzmuster einer Welle! Bisher war immer etwas eine Welle oder ein Teilchen – der Welle-Teilchen Dualismus eben – jetzt aber zeigte ein Teilchen, also das Elektron, eindeutige Welleneigenschaften!

OK, damit lässt sich jetzt wenigstens halbwegs verstehen, wieso das Elektron nicht in seinen Atomkern stürzt.

Erst Werner Heisenberg brachte dann 1927 wieder etwas Ruhe in diese ganze Aufregung, in dem er alle seltsamen Ergebnisse aus diesen seltsamen Experimenten zusammenführte und daraus seine Unschärferelation formulierte, die erste mathematische und fundamentale Grundlage der Quantenmechanik! Dafür gab es dann 1932 den Nobelpreis.

In dieser neuen Welt sind die Zustände der kleinsten Teilchen zunächst einmal unbestimmt. Man kann hier einfach nicht mehr zwei Eigenschaften eines Teilchen, wie z.B. Ort und Impuls gleichzeitig bestimmen, weil man schon allein durch die Messung der einen Eigenschaft die andere Eigenschaft beeinflusst.

Und weiter: Ein Elektron z.B. befindet sich jetzt nicht mehr an einem bestimmten Ort, sondern es gibt nur noch eine bestimmte Wahrscheinlichkeit, an dem sich dieses Elektron aufhalten könnte – sogenannte Orbitale. Chemische Bindungen entstehen jetzt durch Überlagerung dieser Orbitale.

Noch besser: ein Elektron kann auch an zwei verschiedenen Stellen gleichzeitig sein, z.B. gleichzeitig über und unter einem Benzolring, wirklich!

Noch mehr freaky stuff? Die Verschränkung!

Dieses Phänomen wurde zuerst nur in der Theorie vorhergesagt, mittlerweile gibt es aber tatsächlich experimentelle Ergebnisse aus irgendwelchen wilden Teilchenbeschleunigern, die die Richtigkeit dieser theoretischen Vorhersage zumindest Nahe legen.

Um was geht es? Ganz einfach, spiegelt man z.B. ein Photon – ein Lichtteilchen also – mit einer ganz raffinierten Optik, so kann man daraus zwei Photonen erzeugen und diese beiden Photonen sind jetzt miteinander verschränkt. Ändert man jetzt z.B. den Spin, also die Drehrichtung, des einen Photons, so nimmt der gespiegelte Gegenpart völlig ohne Zeitverzug eben diese neue Eigenschaft selbst an – auch wenn sich dieses gespiegelte Photon am anderen Ende des Universums befindet!

Informationsübertragung in Echtzeit über beliebige Entfernungen widerspricht jetzt allerdings der kosmischen Höchstgeschwindigkeit im Universum, der Lichtgeschwindigkeit. Albert Einstein fremdelte daher Anfangs mit dieser Aussage der Verschränkung und sprach, etwas spottend, von einer “spukhaften Fernwirkung”.

Ja, und so ging es dann immer weiter in der Teilchenphysik, die erste praktische Anwendung dieser Physik war dann leider die Atombombe mit Werner Heisenberg als geistigen Vater.

4. Und Heute

Aus heutiger Sicht waren diese Anfangszeiten der Teilchenphysik aber geradezu romantische Zeiten.

In der heutigen Teilchenphysik arbeiten internationale Forscherteams mit mehreren hundert Wissenschaftlern an Experimenten, um völlig abgefahrenen subatomaren Teilchen wie z.B. Neutrinos, Quarks, Bosonen und Higgs-Teilchen auf die Schliche zu kommen – freaky.

Wir haben heute unterirdische und ringförmige Teilchenbeschleuniger mit zwanzig Kilometer im Durchmesser, das LHC – Large Hadron Collider, in deren inneren Röhre absolutes Vakuum und fast absoluter Nullpunkt in der Temperatur herrscht – und in denen Teilchen gegenläufig auf fast Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und zur gezielten Kollision gebracht werden können.

Ein Detektor so groß wie ein fünfstöckiges Haus – Stichwort ATLAS Detektor – misst dann, was genau bei dieser Kollision geschehen ist. Für Nerds: Das LHC ist für Kollisionen von 14 Teraelektronenvolt ausgelegt.

Kurze Story zwischendurch: Einmal lag diese LHC Maschine für mehrere Monate still, weil eine dieser tausenden Magnetspulen, mit denen Teilchen beschleunigt und gesteuert werden, ausgefallen ist. Jetzt einfach Deckel auf und neue Magnetspule rein geht nicht – das betroffene Segment musste erst mal über mehrere Monate von -270 Grad auf wieder halbwegs Zimmertemperatur herauf gekühlt werden!

Und weiter: Mit der anfallenden Datenmenge einer solchen Teilchenkollision sind dann aber erst mal richtig dicke – noch herkömmliche Supercomputer ein halbes Jahr beschäftigt, um dann auch nur ansatzweise zu verstehen, was da bei dieser Kollision passiert und entstanden ist.

Außerdem gehen die Kosten für eine solche Teilchenphysik mittlerweile in die Milliarden – Dollar oder Eus egal. Neue und noch größere Maschinen mit 52km Durchmesser sind bereits in Planung – die “Higgs-Fabrik“, in der eben diese gerade mal 2012 entdeckten Higgs-Teilchen, die der Materie ihre Masse verleihen, genauer untersucht werden sollen – und natürlich in China – Kostenpunkt drei Milliarden Dollars

So, genug der Theorie – ich denke, selbst nur die Hälfte von dem hier Geschriebenen lässt dich im Gespräch unter Kollegen fett punkten und dich ganz sicher als Schlaubi Schlumpf dastehen!

5. Der Zauberrechner

So, jetzt aber zum eigentlichen Thema: der Quantumcomputer!

Klar, ein herkömmlicher Rechenknecht rechnet mit Bits, also eins oder null, also Strom an oder aus – und das mittlerweile in einem völlig irren Takt. Der aktuell schnellste Supercomputer der Welt namens Summit – auch OLCF-4 genannt – schafft damit stolze 148,6 Petaflops, das heißt also knapp 149 Billiarden Kalkulationen pro Sekunde, Wahnsinn! Und außerdem kann man diese Dinger auch noch weltweit untereinander vernetzen.

Was kann ein Quantencomputer jetzt noch dagegen ausrichten?

Ganz einfach, ein solcher Computer rechnet jetzt nicht mehr mit Bits, sondern mit Quantum-Bits oder kurz QuBits!

Achtung! und jetzt alle gut festhalten – mein Gehirn macht auch gerade eine Rolle rückwärts:

– ein QuBit ist ein unbestimmter quantenmechanischer Zustand nach der Heisenbergschen Unschärferelation

– ein QuBit enthält gleichzeitig alle möglichen Werte zwischen Null und Eins

– ein QuBit enthält gleichzeitig alle möglichen Ergebnisse einer Berechnung!

Oder doch ganz einfach mit einer Münze erklärt, die zeigt jetzt mit Kopf oder Zahl nach oben. Wirft man diese Münze nach oben in einer Drehung, so kann man jetzt eben nicht mehr genau sagen, was gerade nach oben zeigt – beides, Kopf und Zahl halt gleichzeitig.

Puh, ist aber so und erklärt die enorme Rechenpower eines solchen Quantumcomputers!

In der praktischen Umsetzung ergeben sich jetzt aber gleich mehrere richtig heftige Probleme – wir sind hierzu und im Moment quasi noch in der Grundlagenforschung mit vielleicht gerade mal hundert QuBits, die aber auch nur ganz spezielle und maßgeschneiderte Aufgaben lösen können. Die Zerlegung der Zahl 15 als Ergebnis der Multiplikation ihrer Primzahlen 3 und 5 hat z.B. schon mal geklappt, immerhin.

Mit einem wirklich für alle möglichen Rechenaufgaben brauchbaren Quantumcomputer wird vielleicht in zehn oder fünfzehn Jahren gerechnet, oder leider noch länger wenn überhaupt.

Die Probleme gehen schon los mit der technischen Herstellung eines solchen unbestimmten Quantenzustands. Bauteile für eine solche Maschine kann man jetzt leider nicht bei ebay bestellen, die müssen extra berechnet, konstruiert und hergestellt werden.

Ein QuBit lässt sich jetzt ganz einfach – ha! – mit einem Ion bauen, also mit einem Atom, dem ein Elektron fehlt. Dieses Ion wird jetzt in einer Ionenfalle wie z.B. in einer Pauli-Falle [Wolfgang Pauli 1900-1958], oder auch Quadropol-Ionenfalle genannt, festgehalten.

Jetzt muss das Ganze nur noch im Vakuum auf nahe dem absoluten Nullpunkt heruntergekühlt werden – stabil gelagert und von sonstigem störenden Energieeintrag durch irgendwelche Strahlung von außen abgeschirmt sowieso.

Beschießt man jetzt dieses so gelagerte Ion mit einem über Zeit und Energie genau definierten Laserimpuls passiert Magisches!

Das QuBit geht für eine bestimmte Zeit – auch genannt Kohärenzzeit und bisher nur für wenige Millisekunden – in diese unbestimmte [wir haben eben aufgepasst?] Superposition zwischen Null und Eins über. Jetzt kann es ungestört mit anderen QuBits in einem Quantengitter vor sich hinrechnen – wie genau? da steige ich jetzt mal aus.

Das Problem besteht jetzt hier auf jeden Fall darin, diese Superposition solange aufrecht zu erhalten, bis alle Berechnungen durchgeführt sind – also die sogenannte Dekohärenz möglichst lange herauszuzögern.

Und das alles ist jetzt noch nicht das Ende der Probleme in der praktischen Umsetzung, weiter geht es mit Verfahren zur Fehlerkorrektur bis hin zu speziellen Algorithmen, mit denen eine solche Zaubermaschine dann rechnet. Ohne weitere Hilfe eines herkömmlichen Computers, eine Hybridlösung, wird es dann wohl auch weiterhin nicht gehen.

Letztendlich sieht es in diesem Quantencomputing in etwa so aus wie mit der klassischen EDV vielleicht in den 60er oder 70er Jahren. Selbst der Bordcomputer der Raumkapsel von Apollo 11, mit der doch tatsächlich Menschen zum Mond geflogen sind, hatte gerade mal die Rechenleistung eines etwas besseren Taschenrechners. Heute – nur wenige Jahrzehnte später – sind wir alle untereinander vernetzt und laufen mit kleinen – aus damaliger Sicht – Hochleistungscomputern am Ohr durch die Gegend.

 

Quantencomputer? Das wird schon! Übrigens gibt es bereits mit “IBM Q Systems One” den ersten, über die Cloud buchbaren Zaubercomputer mit immerhin schon 20 QuBits und 75 Mikrosekunden Kohärenzzeit – ab 50 Qubits wird übrigens mit Überlegenheit über jeden Supercomputer gerechnet.

 

Vielen Dank – BIG THX

 

Markus

KategorienIT

6 Antworten auf „Atomphysik für Nerds – 2307

  1. Wow,

    interessante und kurzweilige Reise durch die jüngste Physikhistorie und deren heutige Anwendungen.

    Weiter so, mehr davon

  2. Komplexes und beeindruckendes Thema mit Begeisterung und spürbarber Anerkennung der Urheber souverän und verständlich vorgetragen – interessant und amüsant. Mal sehen, was die Kollegen dazu sagen.

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