Thema: Die rätselhaften Zahlenspiele der Natur

[SiLæncer]

Mit seinen "Beam"-Experimenten wurde der Physiker Anton Zeilinger zum Medienstar.

Für den Dalai Lama geriet der Besuch in dem Physiklabor zur Offenbarung. Erst führte ihm Anton Zeilinger ein paar seltsame Tricks mit Photonen vor. Dann erzählte der Forscher auch noch, dass im Mikrokosmos Teilchen einfach so aus dem Nichts entstehen.

Für einen kurzen Moment war es da mit der buddhistischen Gelassenheit vorbei. Das sei unmöglich, erklärte der Dalai Lama irritiert, für jedes Ereignis gebe es eine Ursache. Die Physiker müssten eben einfach noch genauer hinschauen.

"Hier hatten wir eine klare Divergenz unserer Anschauungen", erinnert sich Zeilinger lächelnd. "Denn für mich steht zweifelsfrei fest, dass in der Quantenwelt die Kausalität tatsächlich verschwindet."

Der Dalai Lama ist nicht der Einzige, den der 59-jährige Physiker der Universität Wien zum Staunen bringt. Zeilinger tritt bei Ärztekongressen auf, ist Gast in Talkshows und spricht vor Managern von Energiekonzernen. In den nächsten Wochen reist er zu Vorträgen nach Schweden, in die USA und nach Saudi-Arabien - dabei nimmt er nur einen Bruchteil aller Einladungen an. "Alle wollen auf einmal wissen, was wir Quantenphysiker so treiben."

Alles begann mit jenem wundersamen Experiment, mit dem Zeilinger vor sieben Jahren schlagartig berühmt wurde. In einem Laborversuch war es seinem Team gelungen, ein Photon auszulöschen, um dieses Lichtteilchen im selben Augenblick - Simsalabim - wenige Meter entfernt wieder auftauchen zu lassen.

Kaum war der Artikel über die weltweit erste "Quantenteleportation" im Wissenschaftsmagazin "Nature" erschienen, rief auch schon CNN an - dann brach ein Medien-Hype los, der bis heute andauert.

Bis zu dieser Veröffentlichung hatten sich nur Eingeweihte für die schwerverständlichen Experimente der Quantenphysiker interessiert. Erst mit Zeilingers Teleportation konnte auch ein breiteres Publikum etwas anfangen. Denn ein Science-Fiction-Traum schien damit wahr zu werden: das "Beamen". Wenigstens im Prinzip, so zeigte der Laborversuch, ist es tatsächlich möglich, wie Captain Kirk vom "Raumschiff Enterprise" koboldartig riesige Entfernungen zurückzulegen.

Der Wiener Hexenmeister beeilte sich zu betonen, dass das Beamen größerer Objekte oder gar eines Menschen so gut wie ausgeschlossen wäre. Doch das Dementi ging unter. Plötzlich wurde die Quantenphysik zu einem Teil der Popkultur - und Zeilinger zu ihrem Guru.

Wann immer österreichische Journalisten heute wissen wollen, was ein Physiker so über Gott und die Welt denkt, rufen sie ihn an. Was sagt er zum neuesten TV-Skandal? Glaubt er an die Möglichkeit von Zeitreisen? Und warum nur spielt das Wetter verrückt?

Medienstar Zeilinger bedient perfekt die Erwartungen des Publikums: Der Herr Professor ist ein freundlicher Mann mit krausem Haar und Rauschebart, der in seiner Freizeit Cello spielt und ansonsten gern herumphilosophiert, wobei er dann so schön rätselhaft klingende Sätze formuliert wie dieses abgewandelte Wittgenstein-Zitat: "Die Welt ist alles, was der Fall sein kann." Genau so stellen sich Laien einen spleenigen Physiker vor.

Inzwischen ist Zeilinger der ganze Rummel allerdings etwas zu viel geworden. Der Forscher hat deshalb eine eigene Pressebeauftragte engagiert. Andrea Aglibut blockt allzu lästige Anfragen ab, damit er weiter ungestört in das geheimnisvolle Quantenreich vordringen kann.

Zu seinem Team gehören auffallend viele junge Wissenschaftler. Die einen bilden die Gruppe der "Photonis". Mit Hochdruck arbeiten sie daran, die Beam-Technik weiterzuentwickeln.

"Zu unserer eigenen Überraschung", sagt Zeilinger, "hat das Herumspielen mit Photonen sogar zu einer ersten handfesten Anwendung geführt." So könnte das dem Beamen zugrunde liegende Quantenphänomen schon bald die vollkommen sichere Verschlüsselung geheimer Daten ermöglichen. Banken und Versicherungen haben bereits Interesse an der Quantenkryptografie signalisiert.

Die Wiener Forscher nutzen einen höchst sonderbaren Effekt der Mikrowelt aus: Wenn zwei Teilchen, etwa zwei Photonen, in Kontakt kommen, kann es passieren, dass sie dauerhaft miteinander in Verbindung bleiben. Was auch immer fortan mit dem einen Teilchen geschieht - es scheint auf beinahe telepathische Weise das andere direkt zu beeinflussen.

Nach ihrer Teilchenhochzeit verhalten sich solche Photonen gleichsam wie gezinkte Würfel: Fällt der eine auf die Sechs, so zeigt automatisch auch der andere diese Punktzahl. Diese Verkopplung, im Physiker-Jargon "Verschränkung" genannt, funktioniert über jede beliebige Entfernung - selbst dann, wenn die beiden Partner Lichtjahre voneinander entfernt sind.

Albert Einstein war diese radikale Konsequenz der Quantentheorie unheimlich; er bezweifelte, dass es die "spukhafte" Fernwirkung wirklich gibt. Doch in den vergangenen Jahren haben Physiker mit immer neuen Laborversuchen gezeigt, dass zwischen manchen Teilchen tatsächlich unsichtbare Drähte gespannt sind.

Bei seinen Beam-Experimenten benutzt Zeilinger solche verketteten Photonen, um ein drittes Photon quer durch den Raum zu befördern. Das eine Photon tastet dabei das zu transportierende Passagier-Teilchen ab und löscht es dadurch aus - woraufhin das Passagier-Teilchen im gleichen Augenblick in dem anderen Photon wiederaufersteht.

"Das Verrückte ist, dass zwischen den verschränkten Photonen keinerlei Informationen ausgetauscht werden", sagt Zeilinger. "Richtig vorstellen kann auch ich mir nicht, was bei diesem Vorgang jenseits von Zeit und Raum vor sich geht."

Wie sich nun gezeigt hat, sind verkoppelte Photonen zudem ideal geeignet für die Verschlüsselung geheimer Nachrichten. Jeweils paarweise werden sie dazu an Sende- und Empfangsstationen verschickt. Wenn der Sender sodann mit Hilfe seiner Photonen eine Botschaft verschlüsselt, kann der Empfänger die Botschaft mit Hilfe der entsprechenden Partner-Photonen leicht wieder entschlüsseln.

Der Clou daran: Im Unterschied zu allen anderen Verschlüsselungsmethoden ist die Quantenkryptografie absolut abhörsicher. Jede Störung von außen führt unweigerlich dazu, dass die Verkopplung der Teilchen in sich zusammenbricht - jeder Versuch, einen Photonenstrahl anzuzapfen, würde sofort auffallen. Zeilinger: "Die Sicherheit der Verschlüsselung ist naturgesetzlich verbürgt."

Mit seinem Team hat der Physiker schon Geheimbotschaften übertragen. Für einen Test hatte er mit Hilfe verkoppelter Photonen ein Foto der "Venus von Willendorf" verschlüsselt, einer in der Nähe von Wien entdeckten Steinzeitfigur. Derzeit arbeitet sein Team an einem Versuch, in dem verschlüsselte Nachrichten per Lichtstrahl sogar acht Kilometer weit verschickt werden sollen - von einem Hochhaus zu einem anderen.

Spätestens in fünf Jahren könnten die ersten Quantenverschlüsselungsgeräte mit verschränkten Photonen auf den Markt kommen. Eine Kooperation mit der Industrie soll bei der Vermarktung helfen. Die Europäische Raumfahrtagentur Esa prüft sogar, von einem Satelliten aus verschlüsselte Laserstrahlen an jeden Punkt der Erde zu senden.

Doch auch die reine Grundlagenforschung beschäftigt Zeilinger weiter. Ein zweites Team (die "Molekülis"), geleitet von ihm und seinem Kollegen Markus Arndt, versucht herauszufinden, ob die Quantenphänomene wirklich nur auf den Mikrokosmos beschränkt sind. Immerhin traten bizarre Effekte sogar schon bei größeren Molekülen auf. Als Nächstes wollen die Forscher klären, ob sich auch riesige Biomoleküle wie Hämoglobin oder Insulin in bestimmten Experimenten sonderbar verhalten.

Und wie ist es mit Viren? Oder mit Sandkörnern? "Wir wissen einfach noch nicht, ob es eine Grenze gibt, wo die Quanteneffekte aufhören", gibt Zeilinger zu. "Die einzige Bedingung scheint nur zu sein, dass die Objekte von der Außenwelt abgeschirmt sind."

Wird also irgendwann doch das Beamen größerer Gegenstände möglich sein? Der Physiker mag das nicht mehr für alle Zeiten ausschließen. "Vielleicht werden wir in tausend Jahren tatsächlich in der Lage sein, eine Kaffeetasse zu teleportieren", spekuliert Zeilinger. "Aber jede noch so winzige Störung könnte dann dazu führen, dass sie ohne Henkel in der Empfangsstation ankommt - für Menschen wäre eine solche Fortbewegungstechnik sicher viel zu gefährlich."

Und noch etwas spricht dagegen, dass irgendwann Menschen von einem Ort zum anderen gebeamt werden: Um alle zehn Billionen Billiarden Atome eines Menschen zu erfassen, brauchten die schnellsten heutigen Computer rund tausendmal so lange, wie das Universum alt ist.

Quelle : www.spiegel.de

[SiLæncer]

 Heute vor 40 Jahren erschien die Jubiliäumsausgabe der Zeitschrift "Electronics", die ihr 35-jähriges Erscheinen feierte. Damals war Electronics das einflussreichste Blatt der amerikanischen Elektroindustrie und wurde auch in Europa viel gelesen. Das hier abgebildete Exemplar stand in der allen Ingenieuren zugänglichen Bibliothek von Brown, Boveri & Cie und befindet sich heute im Landesmuseum für Technik und Arbeit in Mannheim.

In der Jubiläumsausgabe, die auf die Entwicklung der Elektronik zurück blickte und unter dem Motto "The experts look ahead" Prognosen für die Zukunft wagte, findet sich ein Aufsatz von Gordon E. Moore, Forschungsleiter bei Fairchild Semiconductors. Cramming more components onto integrated circuits betitelt, fast der Untertitel den Aufsatz so zusammen: "With unit costs falling as the numbers of components per circuit rising, by 1975 economics may dictate squeezing as many as 65.000 components on a single silicon chip."

Diese Aussage erlangte später als Moores Gesetz Weltruhm, obwohl sie im Kontext der Jubiläumsnummer selbst keineswegs besonders aufregend war. So findet sich vor dem Aufsatz von Moore eine Überlegung von Eiichi Goto, der in Japan damals die Parametron-Computer konstruierte. Er schrieb: "Because of improved production techniques, the price of a computer can be reduced by a factor of 10 every decade. This would mean that a computer priced at $1 million today would cost only $10,000 by 1985, only $1,000 by 1995." Mit 100 Dollar im Jahre 2005 würden zumindest die Handys "Gotos Gesetz" erfüllen können. Wie teuer damals Computer waren, lässt sich der übrigens auffälligsten Anzeige der Jubiläumsnummer entnehmen. Sie stammt von DEC, geht über zwei Seiten und trägt die Schlagzeilen: "The PDP-8 is a powerful, integrated-circuit computer. It sits on a desk, understands FORTRAN, has 1.6 µsec cycle time and exceptional input/output capability. And it's yours for $18,000 complete, software included."

Den Titel der Jubiläumsnummer zierte David Sarnoff, damals Generaldirektor der RCA, die das vollelektronische Fernsehen (Bildabtastung) gegen das mechanische Fernsehen (Bildabnahme und Bildaufbau per Nipkow-Scheibe) am Markt durchsetzte. Sarnoff wurde vor einem Steuerpult für das Farbfernsehen fotografiert. Er war einstmals weltberühmt als der Funker, der im Jahre 1912 den Hilferuf der untergehenden Titanic empfing und alle erreichbaren Schiffe verständigte. 72 Stunden lang arbeitete Sarnoff ununterbrochen an der Rettung der Schiffbrüchigen. In der Jubliäumsausgabe erinnerte sich der damals kurz vor seiner Pensionierung stehende Sarnoff an die Anfänge des Kommunikationszeitalters. 1915 machte er als erster den Vorschlag, mit der drahtlosen Telegraphie Musik an alle Haushalte zu übertragen, die sich kein Klavier leisten konnten. Empfänger sollte eine "Radio Music Box" sein, die als "household utility" die Rolle des Klaviers übernehmen sollte. Für die Zukunft machte Sarnoff auf die Bedeutung der Satellittentechnik für die globale Kommunikation aufmerksam: 1964 wurden mit dem geostationären "Syncomm III" erstmals die Fernsehberichte von den olympischen Spielen via Satellit übertragen. Via Satellit werde jeder Mensch mit jedem Menschen kommunizieren können, erklärte Sarnoff.

 Moores in der Electronics abgedruckten Überlegungen hatten zunächst nichts von einem Gesetz an sich. Er beschrieb seine Beobachtung, dass sich die Zahl der Transistoren auf einer integrierten Schaltung alle 12 Monate verdoppelt. Die Veröffentlichung dieser Beobachtung sollte vor allem verunsicherte Investoren beruhigen, da Moores damalige Firma Fairchild Semiconductors gerade eine Menge fähiger Ingenieure verloren hatte. In dem Moment, als seine Beobachtung zum "Gesetz" wurde, musste Moore auch schon nachkorrigieren und erklärte 24 Monate zum Intervall. Heute gelten 18 Monate als Zeitraum, in dem sich die Transistoren auf einem Chip verdoppeln (oder der Chip um die Hälfte verkleinert werden kann). Moore selbst gab dem Gesetz eine freundliche Note zu einem Zeitpunkt auf den Weg, an dem Überlegungen zu den Quanteneffekten bei der Chip-Produktion das definitive Ende seine Gesetzes einläuteten. Wirklich erbost konnte der immer freundliche, längst pensionierte Moore aber dann werden, wenn sein Gesetz in die lange Liste der Sentenzen aufgenommen wird, die wie etwa Murphys Gesetz ein Körnchen Wahrheit enthalten. Wenig freundliche Worte formulierte Moore auch über Raymond Kurzweil, den viele als Vollender des Mooreschen Gesetzes betrachten.

Zum Jubiläum des Gesetzes hat sich Moore bereits Gedanken gemacht. Das Heinz Nixdorf Museums-Forum wird ihm zu Ehren eine Chip-Pagode mit 3500 LED enthüllen, die Intel-Geschäaftsführer Hannes Schwaderer einweiht. Die von Intel vernachlässigten Mac-Fans haben sich bereits auf ihre Weise gerächt: Die zum Aufsatz von Gordon Moore in der Electronics veröffentlichte Karikatur wird von ihnen als erstes Auftauchen eines Mac Mini diagnostiziert.

Quelle : www.heise.de

[SiLæncer]

Wenn im Star-Trek-Universum "Science" wegmaterialisiert wird

Im faszinierenden, keineswegs trivialen und dank zahlreicher außerirdischer Lebensformen höchst lebendigen Star-Trek-Universum reisen Erdlinge und Außerirdische wie selbstverständlich überlichtschnell durch Raum und Zeit, somit also auch als Zeitreisende quer durch die vierte Dimension – bisweilen aber auch als reiner Materiestrom von Punkt A nach Punkt B.

Der ganze Artikel

Quelle : www.heise.de

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Und das mir als bekennender ´Gene Roddenberry´ Fan  

[Jürgen]

Macht nix, McCoy stand dem Beamen ja auch immer sehr skeptisch gegenüber. Einige seiner Äusserungen finden sich im Artikel ansatzweise wieder.

Warten wir doch einfach den ersten Wharp-Flug ab, soooo lange soll's ja nach Roddenberry nicht mehr dauern

[Warpi]

Soweit ich weiss wurde das beamen bei Star Trek Classic aus Geldnot eingeführt.
Kleiner Buchtipp zum Theama : Die Physik von Star Trek von Lawrence M. Krauss  \v/
Die Bedenken von Pille (Bones) kann ich völlig verstehen.
Aber egal. "Star Trek forever"  

[SiLæncer]

Fortschritt auf dem Weg zum Quantencomputer

Physiker am National Institute of Standards and Technology (NIST) haben einen Speicher für Quantencomputer auf Basis von Ionen demonstriert, der seine Daten länger als 10 Sekunden hält - mehr als 100.000-mal länger als in vorherigen Experimenten mit den gleichen Ionen. Damit kommt man praxistauglichen Quantencomputern wieder einen Schritt näher.

Quantencomputer basieren auf so genannten Qubits, die im Gegensatz zu Bits, die nur die zwei Zustände 0 oder 1 haben können, in einem Mischzustand aller möglichen Werte vorliegen. Durch die Ausnutzung von Quanteneffekten werden so Berechnungen möglich, die bisher als praktisch unlösbar galten. Quantencomputer sollen so beispielsweise Zahlen deutlich schneller faktorisieren können als herkömmliche Rechner.

Die Forscher am NIST konnten nun Informationen in einem einzelnen Beryllium-Ion für längere Zeit speichern, indem sie andere Energielevel des Ions nutzten, um die Werte 1 und 0 zu repräsentieren. Diese neuen Quantenzustände reagieren nicht auf leichte Veränderungen im Magnetfeld, was zuvor zu einem Verlust der in den Ionen gespeicherten Informationen geführt hat.

Quantenspeicher müssen in der Lage sein, eine Superposition zu speichern, so dass ein Qbit, in diesem Fall das Ion, 0 und 1 gleichzeitig repräsentiert. Der neue Ansatz erlaubt es nun, diese Superposition eine Million Mal länger zu halten als bisher.

Die Forscher konnten auch zeigen, dass ein Paar verschränkte Ionen ihre Quantenzustände für bis zu 7 Sekunden halten können.

Quelle und Links : http://www.golem.de/0508/39832.html

[SiLæncer]

Nachdem es in den letzten Jahren still um ihn wurde, meldet sich der Kölner Physikprofessor Günter Nimtz zu seinem Lieblingsthema Überlichtgeschwindigkeit zurück. Eine neue Variante eines Experiments soll nun auch die letzten Zweifler von der Realität des Phänomens überzeugen.

Nimtz wollte bereits 1992 entdeckt haben, dass sich Zentimeterwellen in einem Hohlleiter schneller als Licht ausbreiten. Drei Jahre später führte er auf einem Kongress einen Versuch (Word-Dokument) vor, bei dem er eine Mozart-Sinfonie ebenfalls mit Überlichtgeschwindigkeit übertrug. Obwohl andere Forscher die Messungen des Kölner Physikers bestätigten, verlief die Diskussion letztlich im Sande. Mittlerweile existiert dazu auch ein Wikipedia-Eintrag.

Sein neues Experiment ging aus teilweise publizierten Studien (PDF-Datei) hervor und wandelt den älteren Versuchsaufbau in einem entscheidenden Punkt ab: Eine stete Folge von wenigen Nanosekunden langen Mikrowellen-Impulsen werden nicht mehr durch einen Hohlleiter, sondern auf einen Stapel von vier Plexiglasscheiben geschickt. Ein Teil des Signals durchquert die Scheiben und verschwindet, der Rest wird zurückgeworfen und von einer Trichterantenne aufgefangen. Die auf- und absteigende Impuls-Energie erzeugt auf dem Oszilloskop eine glockenförmige Kurve.

Nun wird hinter den Plexiglasscheiben eine Aluminiumplatte installiert. Zwar verschieben sich die reflektierten Impulse dadurch zeitlich nicht, aber ihre Energie steigt. Trifft ein Impuls vorne aufs Plexiglas, "spürt" er instantan, was sich weiter hinten befindet und drückt es in seiner Amplitude aus. Das kann man auch so deuten, dass der durchgehende Teil des Signals an der Alu-Platte reflektiert wird, wobei er für den Weg von den Scheiben zur Platte und zurück keine Zeit benötigt. Doch ob Informations- oder Energieübertragung, insgesamt wird die Strecke von der Rückseite des Scheibenstapels bis zur Empfangsantenne des Oszilloskops überlichtschnell bewältigt.

Günter Nimtz erklärt das verblüffende Resultat mit der Quantenphysik: Die vier Plexiglasscheiben und die hinter diesen platzierte Aluminiumplatte bilden einen quantenmechanischen "Berg", den spezielle elektromagnetische Wellen, so genannte evaneszente Moden, "durchtunneln" können. Nach Nimtz sind Tunnel "Räume ohne Zeit", in denen sich die Information unendlich schnell bewege. Sein Experiment verletze zwar keinesfalls die allgemeine Kausalität, nach der die Ursache zeitlich vor der Wirkung liegt, aber durchaus die Einstein-Kausalität, die nur die überlichtschnelle Ausbreitung von Energie und Information verbietet.

Fanden seine früheren Versuche fast ausschließlich in Fachkreisen Anklang, wendet Nimtz sich nun an die Öffentlichkeit: In Kooperation mit dem Landesmuseum für Technik und Arbeit in Mannheim installierte er sein neues Experiment in der Sonderausstellung "Einstein begreifen", die am heutigen Samstag eröffnet wird. Ab 16 Uhr können also Laien und Experten gleichermaßen versuchen, Albert Einstein in Verlegenheit zu bringen.

Quelle und Links : http://www.heise.de/newsticker/meldung/64004

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Zwischen Wunschdenken und Metaphysik – Anmerkungen zur im Science-Fiction-Genre idealisierten Zeitreise

Man könnte sie getrost auch als chronometrische Transformation bezeichnen, als Transformation von Zeitpunkt A zu Zeitpunkt B – oder als eine zu anderen "Zeitpunkten". Letzten Endes aber entspricht eine Zeitreise nicht immer einer "klassischen" Zeitreise. Mal gelingt sie – ganz fiktiv – unter Einbeziehung der relativistischen Effekte (Spezielle Relativitätstheorie) im Rahmen der Zeitdilatation an Bord eines (annährend) lichtschnellen oder gar überlichtschnellen Raumschiffes. Mal gewinnt sie auf höchst klassische Weise in Gestalt einer Zeitmaschine à la H. G. Wells literarischen Niederschlag. Wie auch immer die fantastische Zeitreise im Well'schen Sinne daher kommt – ihr Realitätsfaktor ist aus heutiger Perspektive freilich gleich null.

Der ganze Artikel

Quelle : www.heise.de

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Mit der Erzeugung eines "Quantenbytes" könnte einer Wissenschaftlergruppe in Innsbruck ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum Quantencomputer gelungen sein. Über den jüngsten Erfolg des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften sowie des Instituts für Experimentalphysik und des Instituts für Theoretische Physik der Universität Innsbruck berichtet das Wissenschaftsmagazin Nature in seiner Ausgabe vom 1. Dezember.

An Konzepten für Quantencomputer, deren Realisierung bisher bestenfalls in den Kinderschuhen steckt, wird weltweit eifrig geforscht. In enger Zusammenarbeit mit den Theoretikern Otfried Gühne und Wolfgang Dür aus der Innsbrucker Arbeitsgruppe von Hans Jürgen Briegel haben jetzt die IQOQI-Wissenschaftler um Rainer Blatt und Hartmut Häffner gezeigt, dass sie vier, fünf, sechs, sieben oder acht Ionen auf kontrollierte Art und Weise verschränken können. Dazu fangen sie Kalzium-Ionen mit elektromagnetischen Feldern in einer Ionenfalle ein, ordnen sie in einer Reihe nebeneinander an und verschränken sie mit ausgeklügelter Lasertechnologie in so genannten W-Zuständen. Im Fall des Quantenbytes mit acht Ionen erreichten sie damit einen Rechenraum aus 65.536 zum Großteil unabhängigen Elementen.

Nach den bisherigen Ergebnissen sollte das Verfahren skalierbar, die Anzahl der Ionen also noch weiter steigerbar sein. Die Forscher sehen in diesem Experiment daher den Beweis dafür, dass Ionenfallen, wie sie in Innsbruck verwendet wurden, die derzeit vielversprechendste Technologie für die Umsetzung größerer Rechenräume darstellen. Konkurrierende Verfahren setzen beispielsweise auf neutrale Atome statt auf Ionen.

Im Wettstreit mit einer konkurrierenden Gruppe um Dietrich Leibfried am National Institute of Technology (NIST) in Colorado, die in der gleichen Nature-Ausgabe über die Verschränkung von sechs Atomen berichtet, haben die Innsbrucker Forscher mit dem Quantenbyte jetzt die Nase vorn gehabt. Das sei zwar eine schöne Bestätigung, erklärte Blatt laut Presseerklärung des IQOQI, "für unsere Forschung ist allerdings entscheidend, dass wir mit diesem Experiment nun ein Werkzeug zur Hand haben, mit dem wir die Prozesse der Quanteninformationsverarbeitung sehr genau studieren können".

Das Quantenbyte ist nicht der erste Durchbruch in der Quantenforschung, der aus Innsbruck vermeldet wurde. Peter Zoller und Hans Jürgen Briegel arbeiten an weltweit beachteten Konzepten für Quantencomputer und die mit dem IQOQI verbundene Gruppe um Anton Zeilinger in Wien erregte vor einiger Zeit Aufmerksamkeit mit der ersten praktischen Anwendung der Teleportation von Quantenzuständen, einem Kunststück, mit dessen Demonstration IQOQI und NIST im vergangenen Jahr beide gleichauf lagen.

Quelle und Links : http://www.heise.de/newsticker/meldung/66825

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Der Quantencomputer gilt als die große neue Revolution in der Informationstechnologie. Mit seiner Hilfe ließen sich Berechnungen durchführen, die mit den schnellsten denkbaren herkömmlichen Rechnern unmöglich zu bewältigen sind. Obwohl man noch weit davon entfernt ist, in der Praxis anwendbare Maschinen bauen zu können, ist man auf dem theoretischen Sektor schon recht weit fortgeschritten: Man weiß, wie ein Quantencomputer aufgebaut sein müsste und es gibt auch schon erste Algorithmen, auf deren Grundlage sich Programme entwickeln lassen. Doch nun können die Wissenschaftler möglicherweise diese erste Generation von Quantencomputern bereits wieder ad acta legen, bevor sie jemals in der Praxis getestet wurden.

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Quelle : www.heise.de

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Wissenschaftler der University of Michigan haben eine Schlüsselkomponente für den Bau von Quantencomputern auf einem Silizium-Chip integriert. Das Team um Christopher Monroe beschreibt die erste so genannte Ionenfalle auf einem Chip in der Fachzeitschrift Nature. Der Chip besteht im Wesentlichen aus alternierenden Schichten von Legierungen aus Aluminium, Gallium und Arsenid auf einem Silizium-Träger, in die ein mit Elektroden versehenes Loch gebohrt wurde. In einem elektrischen Feld in dieser Bohrung kann man beispielsweise ein Kadmium-Ion einfangen, das dann mithilfe eines Laserpulses in überlagerte Anregungszustände versetzt wird, um so ein so genanntes Qubit zu bilden.

Weil Quantencomputer mit Hilfe solcher Überlagerungszustände sehr viele Rechenoperationen parallel ausführen können, werden sie als heiße Anwärter für die übernächste Rechnergeneration gehandelt. Dazu müsste man allerdings noch sehr viel mehr als nur ein Qubit auf einem Chip herstellen können. Österreichischen Forschern gelang vor kurzem – allerdings mit einer sehr viel größeren Apparatur – die Herstellung von acht Qubits.

    * Zum Thema siehe auch die aktuelle Ausgabe der Technology Review: 'Zeitalter der Quanteninformation'

Quelle und Links : http://www.heise.de/newsticker/meldung/67828

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Warum hat der Mensch 23 Chromosomensätze und der Menschenaffe 24? Warum sind Atomkerne mit zwei, acht oder 20 Protonen besonders stabil? Stecken Gesetze dahinter, Zufall oder ein Schöpfer? Ein Einblick in die mysteriöse Mathematik der Natur.

Zahlen wie drei, sieben oder 13 haben Menschen seit jeher fasziniert. Ob im Märchen, beim Spielen oder in der Bibel - überall begegnet man ihnen. Jedes Kind kennt Siebenmeilenstiefel und die sieben Zwerge. Und der dreifaltige Gott schuf die Welt an sieben Tagen und diktierte Moses die zehn Gebote.

Mathematiker verehren Primzahlen, also solche, die nur durch eins und sich selbst teilbar sind. Abergläubische fürchten die 13. Verschwörungstheoretiker finden immer neue "Beweise" dafür, dass eine bestimmte Zahl über die Geschicke der Welt bestimmt, etwa die 23, die in der Illuminatus-Trilogie von Robert Anton Wilson und Robert Shea eine entscheidende Rolle spielt.

Nach den Anschlägen des 11. September 2001 wurde sogar behauptet, die Quersumme des Datums 11 + 9 + 2 + 0 + 0 + 1 ergebe genau 23. Nun, die Addition stimmt zwar, allerdings handelt es sich dabei eben nicht um die Quersumme. Die Quersumme der Zahl 11 ist nämlich 2, in Wahrheit hat das Datum deshalb eine Quersumme von 2 + 9 + 2 + 0 + 0 + 1 = 14.

Wissenschaftler halten von derartiger Zahlenmystik wenig - doch auch sie können sich dem Zauber der Zahlen kaum entziehen. Aus einem einfachen Grund: Die Natur gibt durchaus bestimmten Zahlen den Vorrang, teils aus nachvollziehbaren, teils aus weniger gut erklärlichen Gründen.

Zahlenmystik und Zahlenmagie

Bekanntestes Beispiel dafür sind die magischen Zahlen aus der Kernphysik. Atomkerne mit einer bestimmten Anzahl von Protonen haben sich als besonders stabil erwiesen: Helium mit 2, Sauerstoff mit 8, Kalzium mit 20, Nickel mit 28, Zinn mit 50 und Blei mit 82 Protonen. Weil sie besonders stabil sind, kommen die Elemente auch besonders häufig vor. So besteht fast ein Viertel der sichtbaren Materie im Weltall aus Helium.

"Die magischen Zahlen für die Besetzung des Atomkerns ergeben sich direkt aus der Quantentheorie", erklärt der Darmstädter Kernphysiker Sigurd Hofmann. Für die Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) fahndet er nach exotischen Atomkernen auf einer Stabilitätsinsel, die irgendwo zwischen 114 und 126 Protonen vermutet wird.

Grundlage der Theorie ist das sogenannte Schalenmodell, das sowohl für die Elektronenhülle als auch für den Kern existiert. Es postuliert, dass Protonen oder Elektronen mit steigender Zahl bestimmte Schalen besetzen, beginnend bei der untersten. "Der Drehimpuls der Elementarteilchen ist entscheidend für den Aufbau von Schalen", sagt Hofmann im Gespräch mit SPIEGEL ONLINE.

Die magischen Zahlen 2, 8, 20, 28, 50 und 82 könne man leicht aus den Welleneigenschaften der Elementarteilchen, ihrem Spin und dem Bahndrehimpuls herleiten. Dass es gerade diese Zahlen sind, ist quasi eine Konsequenz des Modells, obwohl natürlich die Atomkerne auch schon stabil waren, bevor Physiker im 20. Jahrhundert die Quantenmechanik ersannen.

Zehn Finger und der Zufall

Das Modell ist jedoch nicht ganz perfekt, denn bei der nächsten magischen Zahl jenseits der 82 liefert es kein eindeutiges Ergebnis: "Je nachdem, welche Parameter man für die Kernkräfte einsetzt, ergibt sich entweder 114, 120 oder 126", erklärt Hofmann.

Biologen haben es in Zahlenangelegenheiten nicht ganz so leicht wie Physiker - nicht nur, weil ihre Mathematikausbildung meist nur aus ein bisschen Statistik besteht. Dabei stehen sie vor ganz ähnlichen Fragen: Warum hat der Mensch ausgerechnet zehn Finger und nicht zwölf? Warum besitzen wir 23 Chromosomensätze und nicht 39 wie ein Hund oder 24 wie ein Menschenaffe? Weshalb gibt es genau zwei Geschlechter und nicht drei oder vier?

Der Münchner Evolutionsbiologe Josef Reichholf hält die fünf Finger an einer Hand für einen typischen Streich des Zufalls. Hände und Füße der Vierfüßer seien aus Fischflossen entstanden. Die ursprüngliche Zahl der "Strahlen", aus denen Finger und Zehen wurden, sei noch nicht festgelegt gewesen.

"In frühen Phasen gab es durchaus auch Tiere mit sechs oder sieben Zehen an einer Extremität", sagt er SPIEGEL ONLINE. Die Nachfahren der Fünf-Strahler hätten schließlich überlebt. "Fünf Finger sind ein uraltes Erbe der Evolution."

Die Zahl der Zehen von Wirbeltieren habe sich im Lauf der Evolution mehrfach reduziert: Bei Paarhufern wie Hirschen, Rindern und Ziegen seien es nur noch zwei. "Bei Unpaarhufern bleibt sogar nur die Mittelzehe übrig", erklärt Reichholf. Zu dieser Ordnung gehören Pferde, Nashörner und Tapire. "Wir Menschen sind mit unseren fünf Fingern 'altertümlich'."

Auch der Chromosomenzahl 23 misst der Biologe keine besondere Bedeutung bei. "Ob ich 23, 25 oder 10 Teile habe, ist gleichgültig." Die Zahl der Chromosomen sage relativ wenig aus über die Art. "Nur zu wenige Chromosomensätze sollten es nicht sein, weil sonst alle Erbinformationen auf wenigen Chromosomen gespeichert sind", betont Reichholf. "Die Chromosomen wären entsprechend länger und anfälliger für Fehler".

Wolfgang Enard vom Leipziger Max-Planck-Institut für Evolutionäre Anthropologie sieht die Sache ähnlich: "Letztlich ist es egal, wie viele Chromosomen man hat", meint Enard, der Teile des Schimpansengenoms sequenziert und mit dem des Menschen verglichen hat. "Nur zu viele oder zu wenige sollten es nicht sein." Eine optimale Chromsomenzahl scheint es offenbar nicht zu geben, eher so etwas wie einen zulässigen Bereich.

Zwei sind besser als drei

Anders ist die Situation bei der Zahl der Geschlechter - hier hat sich im Lauf der Jahrmillionen die Zahl Zwei als weit verbreitet herauskristallisiert. "Optimal wäre an sich nur ein Geschlecht", erklärt Enard, "denn zwei Geschlechter verdoppeln die Kosten". Vom Standpunkt der Evolutionsbiologie betrachtet, sind männliche Nachkommen eine riskantes, teures Unterfangen, weil niemals sicher ist, ob diese später tatsächlich mit einem Weibchen Nachkommen zeugen und so die Weitergabe der eigenen Gene sichern.

Weibchen hingegen gelten als sichere Investition - irgendein Männchen wird sich immer finden, so dass die Gene der Eltern tatsächlich erhalten bleiben.

Dass es trotzdem zwei Geschlechter (und damit auch Sex) gibt, hängt mit der dabei möglichen Rekombination zusammen - dem ständigen Zusammenwürfeln von Erbinformationen, bei dem neue Varianten entstehen können, die Vorteile im Überleben bieten.

"Drei Geschlechter würden die Kosten gegenüber zweien noch erhöhen", erklärt Enard. Außerdem sei es schon schwierig genug, dass sich zwei zusammenfinden müssten. Wie wäre das erst bei drei Partnern? "Zwei Geschlechter sind die billigste Lösung", stellt Enard fest. Die einzigen, die von drei Geschlechtern profitieren würden, wären wohl Paartherapeuten, die sich dann Triotherapeuten nennen und deutliche komplexere Beziehungsstrukturen entwirren müssten.

Kleine Primzahlexperten aus Amerika

Der Münchner Biologe Reichholf verweist zudem auf prinzipielle Schwierigkeiten bei der Meiose, der Bildung von Keimzellen, wenn es mehr als zwei Geschlechter gäbe. "Die Teilung in drei oder vier wäre sehr schwierig. Versuchen Sie mal, ein Molekül zu dritteln." Letztlich sei die Zweigeschlechtigkeit die effizienteste Form - "da sind die Fehlermöglichkeiten am kleinsten".

Wie sehr Mathematik die Biologie mitunter beherrschen kann, zeigen Zikaden. Die kleinen, nur ein paar Millimeter große Insekten sind zwar bislang nicht bei Mathematikwettbewerben aufgefallen, scheinen allerdings ziemlich genau zu wissen, dass Primzahlen besonders nützlich sind.

In weiten Teilen Nordamerikas treten Zikaden auf, die sich genau alle 13 oder 17 Jahre über der Erde massenhaft vermehren - danach leben sie als Larven wieder 12 oder 16 Jahre unter der Erde. Die explosive Vermehrung im Primzahlintervall überrascht, kann aber sehr gut mit Jäger-Beute-Beziehungen erklärt werden.

Wäre die Zyklenlänge zum Beispiel 12 Jahre, so könnten die Zikaden von Räubern gefressen werden, die alle 1, 2, 3, 4, 6 und 12 Jahre erscheinen. Mutieren die Zikaden jedoch in einen Zyklus von 13 Jahren, so müssen sie nur noch Fressfeinde fürchten, die jedes Jahr oder alle 13 Jahre auftreten - ein nicht zu unterschätzender Evolutionsvorteil.

Clevere Fichten

Selbst heimische Fichten setzen auf eine Primzahl. Alle 11 Jahre bilden die massenhaft Zapfen und erschweren Vögeln und Eichhörnchen so geschickt, sich auf diesen Zyklus einzustellen. "Die Tiere können ihre eigenen Zyklen damit nicht synchronisieren", erklärt Reichholf. "Das ginge noch bei 3 und 5 Jahren einigermaßen, wird aber ab 7 Jahren so gut wie unmöglich."

Mario Markus und Oliver Schulz vom Max-Planck-Institut für molekulare Physiologie entwickelten mit einem chilenischen Kollegen vor einigen Jahren sogar ein mathematisches Modell für die außergewöhnlichen Zikadenzyklen. Es erklärt die Perioden mit Mutation und Selektion von Räubern und Beutetieren. Das Modell erzeugte Primzyklen, die sich als stabil erwiesen - genau wie in der Natur. Nicht-Primzyklen wurden nach einer endlichen Zahl von Mutationen zu Primzyklen.

Das Evolutionsmodell taugt prinzipiell sogar zum Erzeugen hoher Primzahlen - womit sich der Kreis aus Evolution, Physik und Mathematik schließt. Die Natur als Primzahlgenerator - wer hätte das gedacht?

Quelle : www.spiegel.de

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Kompakte Ionenfalle auf der Fläche einer Briefmarke

Forscher der Universität Michigan haben nach eigenen Angaben den bislang ersten skalierbaren Quanten-Computerchip entwickelt, hergestellt mit den gleichen Techniken, die auch zur Fertigung aktueller Computerchips zum Einsatz kommen.
   
In ihrem Paper "Ion Trap in a Semiconductor Chip" beschreiben die Forscher um Physik-Professor Christopher Monroe einen Ansatz, um mit Hilfe von auf herkömmliche Art und Weise hergestellten Chips ein einzelnes Atom einzufangen und mit elektrischen Signalen zu kontrollieren.

Damit kommen die Forscher einem Quantencomputer wieder einmal einen kleinen Schritt näher, denn die eingefangenen Atome dienen als QBits. Die Schwierigkeit liegt im ersten Schritt aber darin, die geladenen Atome (Ionen) einzufangen und von der Umwelt zu isolieren.

Quanten-Chip der Universität Michigan

Doch genau dies soll der an der Universität Michigan entwickelte Chip vereinfachen, denn der Chip hält in seinem Inneren ein einzelnes Atom im freien Raum. Überwacht wird es mit speziellen Lasern, kontrolliert über elektrische Signale.

Die Anordnung fällt dabei sehr kompakt aus und benötigt nur etwa die Fläche einer Briefmarke. Die notwendigen Elektroden werden in einem lithografischen Prozess hergestellt, wie er auch heute in der Chip-Herstellung zum Einsatz kommt. In einem nächsten Schritt wollen die Forscher den Chip nun um viele weitere Elektroden erweitern, so dass er mehr Ionen aufnehmen kann.

Quelle : www.golem.de

[SiLæncer]

Was war vor dem Urknall? Viele Forscher halten schon die Frage für Unfug, da es keine Zeit vor dem Beginn der Zeit selbst geben könne. Doch Physiker suchen immer intensiver nach einem Weltall vor dem unseren - und wollen es jetzt erstmals mathematisch gefunden haben.

Am Anfang war ein Knall. Es folgten einige hundert Millionen Jahre tiefster Finsternis, bis die ersten Sterne zündeten, mit ihrem Fusionsfeuer die heute bekannten Elemente produzierten und dem beobachtbaren Universum seine gegenwärtige Gestalt gaben. So etwa - natürlich grob vereinfacht - ist nach vorherrschender Meinung das Weltall entstanden. Was aber war vor dem Urknall? War da überhaupt etwas? Und, falls ja, wie und warum hat es den Urknall ausgelöst?

Viele Physiker halten schon diese Fragen für unwissenschaftlich: Da mit dem Urknall nicht nur der Raum, sondern auch die Zeit  entstanden sei, sei es unsinnig, die Frage nach einer Zeit davor zu stellen. So ist die Zeit vor dem Urknall gewissermaßen auch Gottes letzter Schlupfwinkel: ein Bereich, der vor dem Zugriff der alles erklären wollenden Naturwissenschaft sicher ist und allein der Religion - oder aber der Philosophie - vorbehalten ist.

Doch das könnte sich bald ändern: Forscher haben nach eigenen Angaben eine physikalische Theorie über die Natur von Raum und Zeit so weit verfeinert, dass sie auch dort noch funktioniert, wo alle anderen Modelle wie Einsteins Relativitätstheorie und die Quantenmechanik versagen: In unmittelbarer zeitlicher Nähe des Urknalls und sogar darüber hinaus. Man habe "Fäden gefunden, die in eine frühere Zeit führen" - in die Zeit vor der Entstehung unseres heutigen Universums.

"Big Bounce" statt "Big Bang"

Verfolgt man die Entwicklung des Universums bis an dessen Anfänge zurück, bekommt die klassische Physik ein Problem: Die Krümmung der Raumzeit wird irgendwann unendlich und nähert sich der sogenannten Singularität, dem Nullpunkt des Universums. Sowohl Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie, die Raum und Zeit im Großen beschreibt, als auch die Quantenmechanik für die Welt im Kleinsten brechen zusammen.

"Mit der allgemeinen Relativität kann man das Universum nur bis zu dem Punkt beschreiben, an dem die Materie so dicht wird, dass die Gleichungen nicht mehr funktionieren", sagt Abhay Ashtekar, Direktor des Institute for Gravitational Physics and Geometry an der Pennsylvania State University in den USA. "Jenseits dieses Punktes müssen wir Quanten-Werkzeuge einsetzen, die Einstein noch nicht zur Verfügung standen."

Der Physiker gehört mit der Erfindung der nach ihm benannten Ashtekar-Variablen zu den Begründern der sogenannten Schleifen-Quantengravitation, auch bekannt als "Loop Quantum Gravity". Mit Hilfe dieser Theorie, so glauben Ashtekar und seine Kollegen Tomasz Pawlowski und Parmpreet Singh, ist ihnen Erstaunliches gelungen: Sie haben ein Modell entwickelt, das Aussagen über ein Universum vor dem Urknall ermöglicht.

Erst zerknüllt, dann aufgebläht

Für diese Zeit habe der Computer ein Universum errechnet, das sich zu einem "Big Crunch" zusammenzieht, ansonsten aber in seiner Raumzeit-Geometrie unserem All verblüffend ähnelt. Deshalb sei unser Universum auch nicht in einem Knall aus dem Nichts entstanden. Vielmehr habe es eine Art Abpraller gegeben - einen "Big Bounce" statt eines "Big Bang". Gab es also gar keinen Anfang aller Dinge namens Urknall, sondern wurde ein früheres Universum auf kleinste Maße zerknüllt, nur um sich prompt wieder zu einem neuen All aufzublähen? Das Universum, eine titanische Ziehharmonika?

Genau das ist der Fall, glaubt man der Theorie von Ashtekar und seinen Kollegen, die in der aktuellen Ausgabe der "Geophysical Research Letters" erschienen ist. Die Gravitation habe das frühere Universum so weit zusammengezogen, dass die Quanteneigenschaften die Schwerkraft schließlich umgekehrt und in eine abstoßende Kraft verwandelt hätten. Durch das Kombinieren von Quantenphysik und allgemeiner Relativität habe sein Team zeigen können, "dass es tatsächlich einen Quanten-Rückstoß gibt", erklärt Ashtekar.

Dass die Gleichungen am Ende ein weiteres "klassisches Universum vor einem Urknall" ergeben hätten, sei so überraschend gewesen, dass man die Rechnungen monatelang mit verschiedenen Parametern geprüft habe. "Aber wir haben herausgefunden, dass das Big-Bounce-Szenario robust ist", so Ashtekar.

Besteht das Universum aus winzigen Schleifen?

Die Vorstellung, dass vor unserem jetzigen Universum bereits ein weiteres existierte, ist zwar nicht neu, räumen die Forscher ein. Doch sie seien die Ersten, denen es gelungen sei, die Existenz eines solchen Vor-Universums systematisch zu begründen und Rückschlüsse über dessen Raumzeit-Geometrie zu ziehen.

Der Einsatz der Schleifen-Quantengravitation habe das ermöglicht, erklären die Wissenschaftler. Das Rechenwerk ist neben der String-Theorie einer der meistversprechenden Ansätze, die bisher unvereinbaren Gegensätze zwischen Einsteins Relativitätstheorie und der Quantenmechanik zu überbrücken.

Die Schleifen-Quantengravitation besagt unter anderem, dass Raum und Zeit nicht vollkommen kontinuierlich verlaufen, wie es für Menschen den Anschein hat, sondern aus einem Gewebe kleinster Schleifen bestehen. Wie in Einsteins Relativitätstheorie ist es auch hier die Krümmung der Raumzeit, die für die Schwerkraft sorgt.

Ashtekar und seine Kollegen haben diese Theorie, die eigentlich die Wechselwirkungen zwischen Elementarteilchen beschreiben soll, auf das gesamte Universum angewandt. Auf dem Weg in die immer fernere Vergangenheit hätten die Formeln zunächst zu ähnlichen Ergebnissen geführt wie die klassische Kosmologie. An dem Punkt aber, wo alle anderen Gleichungen versagten, habe die Schleifentheorie gehalten.

Geteiltes Echo auf Ashtekar-Studie

Das hat zwar schon vor zwei Jahren der deutsche Physiker Martin Bojowald ausgerechnet, der damals am Potsdamer Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik gearbeitet hat und jetzt wie Ashtekar an der Pennsylvania State University tätig ist. Doch Ashtekar und seine Kollegen glauben, die Theorie noch einen Schritt weitergebracht zu haben - über den Urknall hinaus.

Wenn sich die Raumzeit auflöst, so ihr Ergebnis, widersetzen sich die winzigen Schleifen einer weiteren Verdichtung. Der Stoff, aus dem die Raumzeit gemacht ist, werde "brutal zerrissen" - und die Gravitation verwandle sich durch die Quanteneffekte in eine stark abstoßende Kraft, die den Zusammensturz des Universums stoppe. Unmittelbar danach sortieren sich die Schleifen der Theorie zufolge wieder in ein glattes Raumzeit-Gefüge und sorgen für eine explosive Ausdehnung des Alls.

Andere Wissenschaftler lobten die Arbeit von Ashtekars Team. Die Ähnlichkeiten zwischen String-Theorie und Schleifen-Quantengravitation bei der Beschreibung des Universums nach dem Urknall seien ermutigend, sagte Joe Lykken vom Fermilab in Batavia, Illinois dem Magazin "New Scientist": "Endlich sprechen wir die gleiche Sprache."

Suche nach messbaren Spuren des Vor-Universums

Andere Forscher reagieren jedoch skeptischer auf Ashtekars Studie. "Zu simplistisch", meint Hermann Nicolai, Direktor am Potsdamer Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, im Gespräch mit SPIEGEL ONLINE. "Das Modell besteht aus einer drastischen Vereinfachung der Gleichungen."

Das Universum beruhe auf zahlreichen, möglicherweise gar unendlich vielen Variablen. Ashtekar aber reduziere alles auf zwei Größen. Sein Modell basiere unter anderem auf der Annahme eines Universums, "das vollkommen leer ist und in alle Richtungen gleich aussieht". "Ich persönlich habe starke Zweifel, dass man damit dem Problem wirklich zu Leibe rücken kann", sagte Nicolai, der den Artikel von Ashtekar und seinen Kollegen vor der Veröffentlichung in den "Physical Review Letters" als unabhängiger Experte begutachtet hat.

Zudem heize sich das Universum auf, je näher man dem Urknall komme, erklärt Nicolai. Das kompliziere die Dinge noch: Durch physikalische Prozesse kämen immer mehr Variablen ins Spiel, die Elementarteilchen lösten sich auf, neue kämen hinzu. Das Ergebnis sei "eine brodelnde Suppe von ungeheurer Komplexität".

Die neue Leistung von Ashtekar und seinen Kollegen sei, dass ihr Modell wesentlich näher an den Moment des Urknalls heranreiche als bisherige Versuche - so nahe, dass mit dem Auftreten von Quantengravitations-Effekten zu rechnen sei. "Doch die wahre Natur des Urknalls", meint Nicolai, "bleibt das große Rätsel."

Ashtekar aber will noch weiter gehen - und nicht nur theoretische, sondern auch messbare Hinweise für ein Universum vor dem unseren entdecken. "Der 'Big Crunch'", glaubt er, "löscht nicht alle Spuren dessen aus, was unser Universum früher einmal war."

Quelle : www.spiegel.de

[SiLæncer]

Die größten Maschinen fangen klein an. In diesem Fall sogar winzig: Mit Atomen haben Bonner Physiker ein einfaches Rechenbrett gebaut. Wie Kiesel konnten sie darauf die Partikel per Laserstrahl sortieren. Schon einmal fingen Computer so simpel an - vor über 3000 Jahren.

Bonn - "Rechnung auff der Linihen" heißt das im Mittelalter beliebte Rechenlehrbuch Adam Rieses von 1518. Darin erklärte der Mathe-Meister den Kaufleuten seiner Zeit, wie sie große Zahlen fix addieren konnten - ohne die ganze Arbeit im Kopf erledigen zu müssen. Früher schon, mehr als 1000 Jahre vor Christus, hatten Menschen in Indien oder China den ersten Abakus erfunden - einen simplen Rechenschieber mit mehreren Stangen voller verschiebbarer Kugeln oder Steine.

Zählen und Verschieben, das ist der Anfang des mechanisierten Rechnens, die Grundlage jedes Computers. Insofern ist es ein erster Schritt in Richtung der Rechner der Zukunft, was Forscher vom Institut für angewandte Physik der Universität Bonn in der britischen Zeitschrift "Nature" vorstellen: Sie haben einzelne Cäsium-Atome entlang einer Linie angeordnet, verschoben und sortiert.

Zunächst kühlten die Forscher die Atome ab. Nahe des absoluten Nullpunkts (minus 273,15 Grad Celsius) bewegen sich die Teilchen kaum noch. Das Team um Arno Rauschenbeutel und Dieter Meschede hatte eine Art Rechenbrett aus Laserstrahlen gebaut, über dem sie die abgebremsten Teilchen ausleerten. Es handelt sich dabei um eine stehende Lichtwelle mit Bergen und Tälern, vergleichbar mit einem Stück Wellpappe, erläutern die Forscher.

"In welchem Wellental die Atome genau landen, lässt sich leider nicht vorhersagen", sagte Rauschenbeutel. "Das ist ähnlich, als würde man mehrere Eier aus einer großen Schüssel in einen Eierkarton schütten - in welche Vertiefung sie dabei rutschen, ist Zufall."

Diese Unordnung war sowohl der Schwachpunkt des Experiments als auch die Herausforderung für die Forscher. "Sämtliche Atome auf dem Förderband müssen denselben Abstand zueinander haben, nur dann können wir sie in einem sogenannten Quantengatter kontrolliert miteinander wechselwirken lassen", sagte Rauschenbeutel.

Atom-Fließband aus Laserstrahlen

Also setzten die Physiker die Atome mit Hilfe der Laserstrahlen in Bewegung. Senkrecht zu deren Richtung setzten sie weitere Laserstrahlen an - so wie sich überkreuzende Fließbänder. Das genügte, um Atome aus der unsortierten Reihe herauszupicken. "Dann fahren wir das Transportband an die gewünschte Stelle und setzten das Atom dort einfach wieder ein", erklärte Rauschenbeutel. Sieben Cäsiumatome so zu sortieren, dass sie einen gleichmäßigen Abstand von 15 Mikrometern zu ihren Nachbarn hatten, dauerte mit dieser Methode etwa zwei Sekunden.

Die Anordnung in gleichen Abständen ist der erste Schritt zu einem Raster, in dem auch einfache Rechenoperationen gelöst und Werte gespeichert werden könnten. Als nächsten Schritt planen die Bonner den Bau des Quantengatters, eines logischen Bausteins für Quantencomputer.

Das historische Vorbild Abakus - in Europa nur noch als Rechenhilfe für Kinder verbreitet und abwertend oft als "Idiotenharfe" bezeichnet - ist übrigens noch in vielen Weltgegenden in Gebrauch, natürlich in etwas handlicheren Abmessungen.

Quelle : www.spiegel.de