Die faszinierende Welt der Quanten

Quanten-Computer
    Geheimdienste fürchten sie, Forscher hoffen, mit ihnen bislang unlösbare Probleme berechenbar zu machen: Quanten-Computer gelten als beinahe magische Maschinen. Welche Fähigkeiten besitzen sie, wie sind sie aufgebaut, und wo liegen ihre Grenzen?
    Mein Hahn ist tot. Mon cocq est mort. Das sind zwei sehr unterschiedliche Sätze, auch wenn sie jeweils aus vier Wörtern bestehen. Auf grundlegender Ebene haben sie aber eine Gemeinsamkeit: Sie enthalten die gleiche Information, die von der sprachlichen Verkörperung unabhängig ist. Es gibt sehr viele, unendliche viele Möglichkeiten, die gleiche Information darzustellen, so wie Energie in den verschiedensten Formen auftreten kann. Trotzdem, das weiß jeder Übersetzer, muss bei der Umwandlung aus einer Form in die andere der Kern, die Information, immer konstant bleiben: Mein Hahn ist tot.
Die Einheit der Information
    Es gibt eine weitere Ähnlichkeit zwischen Energie und Information: Auch die Information besitzt eine Einheit. Weil der Begriff erst viel später aufkam, war sofort klar, dass sie quantisiert sein muss, also in nicht mehr teilbaren Brocken auftritt. Diese Informationsquanten nennt man Bits (Einzahl Bit). Wer mit Computer und Smartphone aufgewachsen ist, weiß das längst. Ein Bit kann genau zwei Zustände einnehmen. Gern wird das Bild von 0 und 1 gebraucht – aber ebenso könnte man die zwei Zustände durch Ein und Aus, Heiß und Kalt, Kurz und Lang, Loch und kein Loch realisieren. Wie beim toten Hahn kommt es nicht auf die Form der Darstellung, sondern auf die Information selbst an. Bei der Konstruktion klassischer Computer hat man sich immer schlauere Methoden gesucht, 0 und 1 umzusetzen. Man begann mit mechanischen Schaltern, die man später durch elektrische („Relais“) und schließlich durch elektronische („ Transistor “) ersetzte. Heute speichert man Bits je nach Anforderung auf physikalisch höchst unterschiedliche Weise: etwa über die Magnetisierung metallischer Oberflächen (in der Computer-Festplatte), über das Vorhandensein einer elektrischen Ladung in einem Kondensator (im USB-Speicherstift) oder über winzige Löcher in einer ansonsten spiegelnden Schicht (auf einer DVD).
    Zur Verarbeitung schickt man die kleinsten Informationseinheiten fast immer durch die in den 1950-er Jahren erfundenen Transistoren. Nur dass diese heute regelrecht winzig geworden sind. Millionen dieser kleinen Schalter, meist unter 100 Milliardstel Meter groß, garantieren, dass Sie dieses Buch gerade lesen können. Allein Ihr Computer kann schätzungsweise etwa 1000 Milliarden Bits speichern. Auf der ganzen Welt, schätzte das Marktforschungsunternehmen IDC, gab es 2011 insgesamt etwa 1800 Exabytes an digital vorliegenden Informationen. Ein Byte sind dabei acht Bit, und die Vorsilbe Exa meint Trillion, also „Milliarden Milliarden“. Das ist ungefähr so viel Datenmaterial, als besäße jeder Mensch auf der Erde etwa 20.000 Bücher. Pro Jahr wächst dieser riesige Datenvorrat um 60 Prozent.
Die Grenzen des Computers
    Doch obwohl dem Wachstum keine Grenzen gesetzt scheinen, sind klassische Rechner Beschränkungen unterworfen, die in ihrer Natur liegen. Betrachten wir nur eine simple Aufgabe: die Primfaktorenzerlegung einer natürlichen Zahl. Schulstoff aus der fünften oder sechsten Klasse also: Es geht darum, eine Zahl als Produkt anderer, nur durch sich selbst und 1 teilbarer Zahlen (sogenannter Primzahlen) darzustellen. 10 ist das Produkt aus den Primzahlen 2 und 5. 21 lässt sich in die Primfaktoren 3 und 7 zerlegen.
    Es gibt dafür maschinelle Verfahren, Algorithmen, die das Problem mit Computerhilfe lösen. Doch obwohl die allerschnellsten Supercomputer heute Billiarden Rechenschritte pro Sekunde ausführen können, bräuchten sie für die Primfaktorenzerlegung einer 300-stelligen Zahl noch immer etwa 150 Jahre. Das freut all die, die Daten zu sichern haben, denn viele moderne Verschlüsselungsverfahren schöpfen ihre Sicherheit aus der Tatsache, dass die Primfaktorenzerlegung sehr, sehr aufwändig ist. Deshalb musste man die Verfahren auch schon des öfteren anpassen – wer hätte vor 50 Jahren vorherzusagen gewagt, wie schnell heutige Chips rechnen? Quanten-Computer allerdings machen dem kompletten Kryptografie-Gewerbe einen Strich durch die Rechnung, denn sie versprechen einen radikalen Fortschritt: Wofür ein Supercomputer heute noch 150 Jahre braucht, dafür benötigen sie gerade noch eine Sekunde. Worauf beruht dieser enorme