Altes chinesisches Pigment beschleunigt Quantenforschung

Ein altes chinesisches Pigment, Han Pupur (Chinesisch-Violett), hilft einem internationalen Wissenschaftlerteam bei der Erforschung der Geheimnisse in der Welt der Atome. Diese Forschungen könnten zugleich einen weiteren Schritt zur Realisierung von sog. „Quantencomputern“ darstellen.

Han Purpur (BaCuSi2O6) gilt als eine der ersten von Menschen künstlich hergestellten Substanzen mit Metallbindungen. Seine Synthese ging zeitlich der Erfindung von Papier und Kompaß voraus. Auch die berühmten Terrakottakrieger aus der Qin-Dynastie (247 -206 v. Chr.) waren damit gefärbt worden. Für die Terrakotta-Armee war eine durchaus stabile Maltechnik verwendet worden. Eine ganze Armee mit dem sehr teuren, mühsam zu gewinnenden Material zu lackieren, zeigt den Anspruch des Kaisers.

Nun haben Wissenschaftler des Los Alamos National Laboratory in New Mexico/USA in enger Zusammenarbeit mit Kollegen aus Florida, Japan, Argentinien und Estland entdeckt, dass Han Pupur schon bei relativ hohen Temperaturen in einen für die Wissenschaft sehr interessanten Zustand, der als Bose-Einstein-Kondensat (BEC) bezeichnet wird, übergeht. Nach der theoretischen Vorhersage durch Satyendra Nath Bose und Albert Einstein (1925) geht Materie nahe dem absoluten Nullpunkt, also -273°C, in einen Zustand über, der sich weder mit Flüssigkeiten, noch Festkörpern vergleichen lässt. Die Atome verlieren ihre Individualität und verhalten sich daraufhin wie ein Riesenatom oder Kondensat.

Unter großem Aufwand gelang es 1995 den drei Wissenschaftlern Eric A. Cornell, Wolfgang Ketterle und Carl E. Wieman, eine Gaswolke durch mehrere auf sie fokussierte Laserstrahlen und allseitig umgebende Magnetfelder, auf 0,00000002 °C über dem absoluten Nullpunkt abzukühlen. Später überlagerten sie zwei solche Gaswolken. Dabei konnten sie ein Muster sehen, das auch entsteht, wenn man zwei Steine in einen ruhigen Teich wirft und sich ihre Wellenkreise überlagern. Die Gasatome in den beiden Gaswolken waren tatsächlich in den wellenartigen Zustand eines BEC übergegangen. Dafür erhielten sie 2001 den Nobelpreis für Physik.

Im Vergleich zu den oben verwendeten Atomgasen geht Han Purpur, in Anwesenheit eines zusätzlichen Magnetfeldes, schon bei sechsfach höherer Temperatur (-269°C), in den begehrten Zustand über. So lässt sich mit Hilfe von Han Purpur ein BEC weit weniger aufwändig erzeugen, wodurch die Entwicklung des aus einzelnen Atomen zusammengesetzten Quantencomputers, in greifbare Nähe gerückt ist.

Im Verhalten gleicht ein BEC einem einzelnen Atom, aber es ist viel größer und seine Handhabung dadurch einfacher. Die verschiedenen Komponenten eines Computers, wie Datenspeicher und logische Baugruppen, ließen sich aus solchen Kondensaten aufbauen.

Es liegt den Eigenschaften von Atomen, wie sie in der Quantenphysik beschriebenen werden, zu Grunde, dass der Quantencomputer für bestimmte Rechenmethoden besonders gut geeignet ist. Laut der Quantenphysik kann man vor der Messung des Zustandes eines Atoms nur Wahrscheinlichkeitsaussagen über sein tatsächliches Befinden machen. Zu diesem Zeitpunkt wird der Zustand des Atoms als Überlagerung seiner möglichen Zustände betrachtet, aber jeder dieser Zustände ist verschieden wahrscheinlich.

Bei der Anpassung von Rechenmethoden für einen QC können solche physikalischen Gegebenheiten im atomaren Bereich direkt benutzt werden, um Rechnungen, bei denen Wahrscheinlichkeiten eine Rolle spielen, besonders schnell und effektiv zu gestalten. Was etwa bei einem Suchalgorithmus für den Katalog einer Bibliothek zu Tragen käme. Speziell in diesem Punkt wären Quantencomputer den heute benutzten, herkömmlichen Computern an Schnelligkeit weit überlegen.