Der erste Quantencomputer rechnet seit 14 Milliarden Jahren

Forscher rätseln, wie so komplexe Dinge wie das Gehirn entstehen konnten. Manche von ihnen sagen: Die Quanten haben's programmiert

It from Bit.

John Archibald Wheeler, US-Physiker (1911-2008), Deutsch in etwa: Es kommt vom Bit

Eine Rasse von hyperintelligenten Außerirdischen baut in Douglas Adams' Kult-Science-Fiction-Roman "Per Anhalter durch die Galaxis" einen Supercomputer von der Größe einer Kleinstadt. Er bekommt eine große Aufgabe: Die Frage "nach dem Leben, dem Universum und allem" zu beantworten. Damit ist "Deep Thought", so heißt der Computer, siebeneinhalb Millionen Jahre beschäftigt. Am Tag der Ergebnisverkündung verbreitet Deep Thought eine, gelinde gesagt, gewisse Enttäuschung unter den zwei Bedienern, die seit ihrer Geburt auf diesen Moment vorbereitet worden waren.

Denn die heiß ersehnte Antwort lautet "42".

Deep Thought merkt an, seinen Bedienern erscheine die Antwort nur deshalb sinnlos, weil sie selbst nie richtig gewusst hätten, wie die Frage wirklich lautete. Wenn sie das erst einmal wüssten, dann verstünden sie auch die Antwort. Er selbst wisse die Frage zwar auch nicht, könne aber einen neuen Computer entwerfen, der die "Letzte Aller Fragen" berechnet. Dieser Computer sei "von so unendlicher und unerhörter Kompliziertheit", dass das Leben selbst zu seiner "Arbeitsmatrix" gehöre. Es handle sich um ... die Erde.

Hä, die Erde ein Computer? Wie soll die denn rechnen ohne Schaltkreise und Programmierung, dachte ich beim erstmaligen Lesen von Adams' Meisterwerk in den 1980er Jahren. Na ja, in der Science Fiction geht eben alles.

Doch Adams' Vorstellung von der Welt als Computer war nicht neu, sondern wurde schon zuvor von Wissenschaftlern formuliert. Dass das ganze Universum ein Computer sei, schlugen schon Konrad Zuse oder der US-Physiker Edward Fredkin vor.

Später diskutierten Quantenphysiker wie David Deutsch, Seth Lloyd oder Vlatko Vedral die Idee, das Universum sei ein Quantencomputer. Dieser "rechnet" nun seit knapp 14 Milliarden Jahren. Aber worauf steuert diese Rechnung zu? Wird am Ende eine unbefriedigende Antwort wie "42" stehen? Wird es so etwas wie eine Antwort geben? Warum stellen Forscher überhaupt diese These auf? Was bringt es, das Weltall als Computer zu betrachten?

Teufelchen betreibt ein Perpetuum mobile

Nun, was tut ein Computer? Er verarbeitet Information. Im Alltag wirkt Information als etwas Immaterielles, Körperloses. Sie ist zwar wichtig, um die richtigen Entscheidungen zu treffen oder den Zug rechtzeitig zu erreichen oder um mit Aktien Gewinn zu machen. Aber sie ist nichts, worauf man ein Gebäude gründen oder womit man ein Flugzeug in der Luft halten könnte.

Physiker hingegen kommen immer mehr dahinter, dass Information genauso zu den Grundfesten der Welt gehört wie Energie und Materie. Manche halten sie sogar für wichtiger als Energie und Materie. Mit Anton Zeilinger gesprochen: "Information ist der Urstoff des Universums".1

Das klingt für Alltagsohren merkwürdig, denn Information scheint von einem menschlichen Beobachter abhängig zu sein. Er ist es, der erfährt: Das Auto ist blau, der Zug fährt um 17.13 Uhr ab, das Museum ist in der dritten Querstraße links. Information ist Wissen und dieses ist scheinbar an ein Bewusstsein gebunden. Was könnte demgegenüber die tote Welt der Physik "wissen"?

Andererseits: Betrachtet man Information als Exklusivrecht des Menschen, hat dies unrealistische Konsequenzen. Zum Beispiel könnte dann ein Perpetuum mobile zweiter Art existieren. Normalerweise braucht es ein Temperaturgefälle, um eine Maschine anzutreiben. Denn dadurch fließt Wärme in eine bestimmte Richtung und kann Arbeit verrichten. Bei gleichmäßiger Temperatur hingegen bewegen sich Teilchen wirr in unterschiedliche Richtungen. Diese ziellose Energie kann nicht genutzt werden, ähnlich wie sich ein Auto nicht vorwärts bewegen wird, wenn 20 Leute rund um es herumstehen und daran schieben. Ein Perpetuum mobile zweiter Art soll aber genau das tun: Einem gleichmäßig temperierten Medium Wärme entziehen und in Arbeit umwandeln.

Nun gibt es ein hypothetisches Teufelchen, genannt der Maxwellsche Dämon, der auf den ersten Blick genau dies ermöglicht. Es bewacht ein Türchen, das zwei gleich warme Räume trennt. Das Teufelchen kann die Gasmoleküle in beiden Räumen fliegen sehen. Es öffnet das Türchen, um besonders schnelle Moleküle aus dem rechten Raum in den linken zu lassen und umgekehrt besonders langsame Moleküle vom linken Raum in den rechten. So sammeln sich im linken Raum die schnellen und im rechten die langsamen Teilchen, sprich: Links wird es wärmer als rechts. Der Dämon hat ein Temperaturgefälle hergestellt, das eine Maschine antreiben könnte. Das hat er getan, ohne den Teilchen Energie zuzuführen, sondern nur durch Beobachtung.

Wenn es gelänge, Information über das Verhalten der Gasteilchen zu gewinnen, so schloss James Clerk Maxwell, könne man das vermeintliche Naturgesetz "Es gibt kein Perpetuum mobile zweiter Art" brechen.

Freilich gibt es dieses übernatürliche Wesen nicht. Doch Physiker haben es technisch nachgebildet und es hat funktioniert!

Allerdings nur, wenn man die Energiebilanz ohne den Faktor Information zieht. Die Intelligenz des Dämons gibt es nicht zum Nulltarif. Es stellt sich heraus, dass das Verarbeiten von Information Energie kostet und dass man unter dem Strich nichts gewinnt.

Einsteins berühmte Formel E = mc² besagt, dass Materie und Energie zwei Kehrseiten der gleichen Medaille sind. Man kann sie ineinander umwandeln. Eine ähnliche Beziehung gibt es zwischen Energie und Information: Jedes Bit an gelöschter Information kostet einen bestimmten Betrag an Energie. Die beiden Größen lassen sich ineinander umrechnen wie Euro und Dollar. Es gibt eine Formel dafür, Energie und Information sind gleichartig. Die experimentelle Umsetzung von Maxwells Dämon hat gezeigt, dass Information als Medium genutzt werden kann, um Energie zu transferieren.

Information ist also eine physikalische Größe, sie ist Teil einer exakten Wissenschaft, quantifizierbar, berechenbar. Diesen Aspekt haben wir in den letzten Kapiteln schon öfter gestreift. Jede Information verarbeitende Technologie, sei es der Abakus, ein klassischer Rechner oder ein Quantencomputer, ist die Verkörperung einer Art, Information zu verarbeiten. Kugeln auf Stangen tun es, durch Transistoren fließende Elektronen tun es, Ionen in Ionenfallen tun es, durch Lichtleiter rasende Photonen tun es: Daten verarbeiten. Kurz: Die digitale Revolution gründet auf den physikalischen Bausteinen der Natur.

Information, das Fundament des Universums?

Doch bei der Feststellung Information ist Physik hört die Geschichte nicht auf. Die Rolle der Information könnte noch grundlegender sein, sodass sich die Machtverhältnisse umkehren: Physik ist Information.

Alles, was der Mensch über die Natur weiß, erfährt er durch Fragen, die er der Natur in Form von Experimenten stellt. Ist der Mond eine Kugel? Besteht Materie aus Atomen? Durch welchen der beiden Spalte ist das Lichtteilchen gegangen? Eine intuitive Annahme sagt uns, dass die Antworten darauf Informationen über die Realität sind. Sie sind der Teil der Wirklichkeit, den wir in Erfahrung bringen können. Doch es gibt auch die Meinung, dass es gar keine verborgene Realität hinter den Antworten gibt. Dass nur das Beobachtbare existiert. Die Antworten, die der Frager erhält, sind die Natur. "Information ist das Garn, das alle Phänomene um uns herum verbindet und gleichzeitig ihren Ursprung erklärt", drückt es Vlatko Vedral von der University of Oxford aus.2

Die Fragen lassen sich so formulieren, dass die Antworten Ja oder Nein lauten. Wenn diese Jas und Neins tatsächlich alles sind, was es gibt, dann ist die Natur digital. Die Quantelung der Natur, also dass alles letztlich aus winzigsten, unteilbaren Batzen besteht wie Lichtteilchen oder Elektronen, wäre eine natürliche Folge. Auch der Raum an sich bestünde aus kleinsten, zählbaren Raumzellen, wie schon Konrad Zuse spekulierte.

Heute behaupten jene Physiker, die die Quantenphysik mit Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie vereinen wollen, dass Raum und Zeit aus unzerlegbaren Brocken bestünden. Demnach kann es keinen Meterstab geben, der eine feinere Unterteilung hat als die so genannte Planck-Länge, und keine Uhr, deren Anzeige Zeiteinheiten zählt, die kürzer sind als die so genannte Planck-Zeit. (Keine Angst, Sie werden auch in Zukunft pünktlich sein können, denn die kleinsten Einheiten von Raum und Zeit sind extremst winzig und werden wohl nie wirklich gemessen werden.) Dass die Antwort des fiktiven Computers "Deep Thought" eine Zahl ist - 42 -, ist vielleicht auch eine Anspielung auf die Zählbarkeit des Universums.

Die Annahme, Information sei der Grundstoff des Alls, erklärt also, warum es Quanten gibt. Was keine kleine Erkenntnis wäre: Für den US-Physiker Archibald Wheeler war die Frage "Warum gibt es Quanten?" die zweitwichtigste seiner "wirklich großen Fragen", gleich nach "Wie kommt es, dass etwas existiert?"

Für Vlatko Vedral hat Information ein Alleinstellungsmerkmal unter den physikalischen Größen: Nur sie könne ohne Grund entstehen. Damit könnte ein uraltes Problem der Naturwissenschaften gelöst werden, meint Vedral. Sie hätten noch kein grundlegendes Gesetz gefunden, eine Art Weltformel, das sich aus sich selbst heraus erklärt. Jedes Gesetz besitze wieder irgendeine Ursache, die es zu klären gilt. Das führe zu einer endlosen Kette von Ursache, Ursache der Ursache, Ursache der Ursache der Ursache usw.

"Das Qubit kommt von nirgendwo", formuliert es Vedral. Es sei keine Vorinformation nötig, damit die Information des Qubits existieren kann. Eine Art Schöpfung aus dem Nichts. Denn ob das Auslesen "0" oder "1" liefert, hängt, wie wir gesehen haben, nur vom Zufall ab.

Schwer begreifliche Phänomene der Quantenphysik werden verständlicher, wenn man sie aus der Perspektive der Information betrachtet. Ein Teilchenpaar, das ein Bit Information miteinander teilt, bleibt verbunden, auch wenn sich die Partner ewig weit voneinander entfernen. Das Bit speichere den Wert "Ja". Die Frage laute: "Sind die Spins der beiden Partikel parallel?" Wenn nun Bob in Hamburg "Spin-up" misst, dann wird im gleichen Moment Alice in München "Spin-up" messen. Statt ungläubig den Kopf zu schütteln, denkt man bei dieser Darstellung der Verschränkung sofort "Ja, klar!" Verborgene Parameter, also unsichtbare Information in den einzelnen Teilchen, braucht man so nicht zu bemühen. Auch der Zufall wird begreiflicher. Das geteilte Bit ist schon verbraucht für die Information, dass die Spins parallel sind. Es bleibt daher dem Zufall überlassen, welche Spinrichtung nun konkret in Hamburg oder München gemessen wird.

Alle Materie - Felsbrocken, Autos, Sonnensysteme oder Galaxien - speichert also Information. Und sie verarbeitet die gespeicherten Daten. Ein Elektron kann hier detektiert werden oder dort. Das wäre ein Bit an Information. Wenn es sich von hier nach dort bewegt, schaltet das Bit um. Immer wenn Elementarteilchen aneinanderstoßen, wandeln sie die gespeicherten Bits um. Ein gigantischer Datenumschlag. Dies geschieht nach den Gesetzen der Quantenphysik, also auf systematische Weise, ähnlich wie mit einem CNOT-Gatter. Diese Gesetze sind demnach die Software des Universums. Spätestens jetzt hört es sich so an, als sprächen wir über die Natur als einen Quantencomputer.

Dem Studium von Quantencomputern komme daher eine herausragende Bedeutung zu, meint David Deutsch. "Es ist gleichbedeutend mit dem Studium der ganzen Wissenschaft", sagt der Physiker. "Wenn Sie beweisen, dass ein bestimmtes Muster an Informationsverarbeitung mit einem universellen Quantencomputer unmöglich ist, haben Sie bewiesen, dass es nicht passieren kann", sagt Deutsch.

"Mit Quantencomputern lässt sich das Universum auf seiner fundamentalsten Ebene verstehen", sagt auch Seth Lloyd. Deutsch und Lloyd benennen eine vielversprechende Eigenschaft eines digitalen Universums: Es ist berechenbar, kann also begriffen werden.

Für Lloyd gibt es keinen erkennbaren Unterschied zwischen einem Quantencomputer und dem Universum. "Wenn etwas watschelt und quakt wie eine Ente, dann ist es eine Ente", sagt der theoretische Physiker und meint damit: Wenn das Weltall Information speichert und verarbeitet wie ein Quantencomputer, dann ist es einer.