Wohin führt die Miniaturisierung?

Wie keine andere hat die Entwicklung der Computertechnologie die Welt, in der wir heute leben, geprägt und angetrieben. Die immer schneller werdende Rechen-Geschwindigkeit der Computer hängt eng mit der stetigen Miniaturisierung der Computer-Chips zusammen. Ein weiterer Sprung in der Verkleinerung könnte es ermöglichen, Quanteneffekte technologisch zugänglich zu machen und dies könnte zu theoretisch möglichen Quantencomputern führen.

Die kleinste Informationseinheit in einem Computer ist das Bit. Dieses wird in heutigen Computern durch Schaltkreise realisiert, deren Komponenten immer kleiner werden. Je weiter diese Miniaturisierung voranschreitet, desto wichtiger werden quantenphysikalische Effekte, das heisst, Phänomene, die über die klassische Physik hinausgehen.

Einer dieser Effekte ist die Dualität von Teilchen und Welle, die wir an der Scientifica in einem Experiment aufzeigen. Man erfährt, dass Photonen = Lichtwellen = Lichtteilchen sich bei Interferenz (Überlagerung) sowohl wie Teilchen als auch wie Wellen verhalten, obwohl Teilchen und Welle gänzlich gegensätzliche Konzepte sind. Teilchen sind örtlich festlegbar und folgen bestimmten Bahnen. Wellen hingegen sind nicht lokalisiert und können sich gegenseitig überlagern. Solche Überlagerungen – Interferenzen – werden in einem weiteren Experiment anhand von Wasserwellen veranschaulicht.

Die quantenphysikalischen Eigenschaften sind auch für die Computerwissenschaften interessant. Denn im Gegensatz zu «herkömmlichen» Bits können so genannte «Qbits», welche quantenmechanischen Gesetzen folgen, nicht nur die Zustände 1 oder 0 annehmen, sondern alle möglichen Zwischenzustände. Qbits erlauben die gleichzeitige Ausführung von zahlreichen Rechenoperationen wie es klassischen Computern nicht möglich ist: Dies könnte es erlauben, gewisse Probleme, die eine grundsätzliche parallele Struktur aufweisen, wesentlich schneller zu lösen.

Der Nationale Forschungsschwerpunkt (NFS) «QSIT – Quantenwissenschaften und -technologie» bewegt sich in einem Feld, das zwei zentrale Entdeckungen des 20. Jahrhunderts zusammenbringt: Quantenphysik und Informationstheorie. Der NFS QSIT verbindet in einem multidisziplinären Ansatz Konzepte aus Physik, Chemie sowie Ingenieur- und Computerwissenschaften. Im NFS-Netzwerk arbeiten Forschende aus zahlreichen Schweizer Hochschulen mit Grundlagenforschern der Industrie zusammen. Ihr gemeinsames Ziel ist neben der Entwicklung von Anwendungen im Bereich der Quanteninformation auch die Untersuchung neuer Sichtweisen in der physikalischen Grundlagenforschung, wie beispielsweise Ordnung und Zustände der Materie.

Beteiligte

Prof. Klaus Ensslin
Prof. Tilmann Esslinger
Prof. Richard Warburton
Dr. Ilona Blatter

Am NFS QSIT beteiligte Institutionen:
ETH Zürich
Universität Basel
Universität Genf
IBM Zürich
EPF Lausanne