Es ist mir eine große Freude, hier bei Ihnen zu sein,
und ich freue mich schon darauf, die Studentinnen und Studenten kennenzulernen.
Natürlich war es großartig, gemeinsam mit Serge Haroche den Nobelpreis zu bekommen.
Das Thema meines heutigen Vortrags liegt ganz am anderen Ende des Spektrums dessen,
was Sie heute Vormittag von Brian Kobilka gehört haben.
Wir haben es hier mit extrem einfachen Systemen zu tun, aber wir versuchen, sie mit hoher Präzision zu steuern.
Vielleicht beginne ich mit dem Beispiel von Schrödingers Katze.
Ich finde es bemerkenswert, dass Schrödinger, einer der Erfinder der Quantenmechanik,
beim Nachdenken über deren Konsequenzen ein ungutes Gefühl bekam, da die Theorie, für sich genommen,
im Grunde nichts anderes beschreibt als die kontinuierliche Entwicklung von Systemen.
Sein Unbehagen äußerte er so: Obwohl wir die Quantenmechanik in der Praxis nur auf relativ kleine,
einfache Systeme anwenden können, sollte sie grundsätzlich für sehr große Systeme gelten.
Er brachte sein Unbehagen mit diesem Beispiel zum Ausdruck
– eine Katze befindet sich im Inneren einer versiegelten Kiste, eine Wechselwirkung mit der Außenwelt ist ausgeschlossen.
Außerdem befindet sich in der Kiste, sagen wir, ein einzelnes radioaktives Teilchen.
Und wenn das radioaktive Teilchen zerfällt, setzt es einen Mechanismus in Gang, der Gift freisetzt und die Katze tötet.
Grundsätzlich kann man Gleichungen aufstellen, quantenmechanische Gleichungen, die diese Situation beschreiben.
Und die Quantentheorie sagt uns nur, dass die Katze nach einer Halbwertszeit des Teilchens weder tot noch lebendig ist,
sie ist zur gleichen Zeit tot und lebendig.
Das ist natürlich eine sehr seltsame Situation.
Jedenfalls aber nennt man diesen Fall der gleichzeitigen Existenz von Zuständen im Allgemeinen Superposition oder Überlagerung.
Eine einfache Analogie, die mir gut gefällt, vermittelt uns ein Gefühl von dieser Überlagerung.
Wenn Sie sich dieses Bild eines Würfels ansehen, sehen Sie manchmal die eine Seite hier im Vordergrund.
Oder Sie sehen vielleicht diese Seite im Vordergrund.
Das ist der Überlagerung sehr ähnlich in dem Sinn, dass man dazu neigt, entweder eine Situation oder die andere zu sehen.
Doch in gewissem Sinn haben wir hier beide Eigenschaften gleichzeitig.
Ich denke, das ist eine gute Analogie zur Überlagerung – es ist weder das eine noch das andere.
Aus diesem Blickwinkel gesehen, ist es beides.
An diesem Beispiel ist noch etwas interessant: Es bringt auf sehr schöne Art und Weise die Idee der Quantenmessung zum Ausdruck.
Wir lernen in unseren Quantenmechanik-Kursen, dass wir dann, wenn wir ein System messen,
einen Überlagerungszustand in einer Konfiguration oder in einer anderen projizieren oder kollabieren lassen.
Wenn Sie also dazu neigen, einen dieser beiden Blickwinkel einzunehmen,
ist das etwas ganz Ähnliches wie die Messung in der Quantenmechanik.
Kommen wir zurück zu Schrödingers Beispiel.
Die Quantenmechanik sagt also diesen Überlagerungszustand voraus.
Und das ist... man nennt das insofern eine verschränkte Überlagerung,
als der Zustand der Katze mit dem Zustand des Teilchens – nicht zerfallen oder zerfallen – korreliert.
Das nennt man Verschränkung – wenn man diese Korrelationen bzw. diese Systeme erhält.
Zumindest in kleinem Maßstab interessant ist folgende Tatsache: Wir können zeigen,
dass diese Korrelationen selbst dann existieren,
wenn die Einzelteile durch große Entfernungen getrennt sind, über die sie in der maßgeblichen Zeit nicht kommunizieren können.
Doch ich schweife ein bisschen von meinem eigentlichen Thema ab.
Schrödinger war beunruhigt über die Konsequenzen einer Anwendung der Quantenmechanik auf große Maßstäbe.
Und in den Fünfzigern hatte er noch einen Ausweg.
Zu jener Zeit konnte er sagen: „Nun, wir führen niemals richtige Experimente mit nur einem Elektron oder Atom oder Molekül durch.
Das machen wir nur in Gedankenexperimenten.”
Und diese Gedankenexperimente wurden von kleinen Systemen auf die makroskopische Welt wie etwa Katzen ausgedehnt.
Ich glaube, was er hier sagt, ist im Grunde Folgendes:
Vielleicht führen wir uns selbst in die Irre, wenn wir über das einfache System nachdenken,
denn wenn wir es vergrößern, führt es zu diesen lächerlichen Konsequenzen.
Heute sind wir natürlich in der Lage, diese Welt zu betreten,
in der wir zumindest mit kleinen Systemen diese Spiele mit Überlagerung und Verschränkung spielen können.
Wie gesagt: Das können wir nur mit sehr kleinen Systemen.
Aber irgendwann kommen wir vielleicht zu viel größeren Systemen.
Heute werde ich Ihnen etwas aus meiner eigenen, sehr beschränkten Welt vorstellen.
Ich werde über die Arbeit an meinem Institut sprechen, dem National Institute of Standards and Technology.
Natürlich beschäftigen sich auch viele andere Gruppen auf der ganzen Welt mit demselben Thema.
Und von Serge Haroche werden Sie über eine ganz ähnliche Anwendung dieser Ideen ganz andere Ansichten hören.
Lassen Sie mich also... Ich habe nicht die Zeit, alle von uns genutzten Techniken zu beschreiben.
Aber lassen Sie mich Ihnen eine Vorstellung davon geben, wozu wir in der Lage sind.
In unseren Experimenten verwenden wir normalerweise einfach ionisierte Atome; ein Beispiel dafür ist Beryllium.
Wir geben es in eine Falle, in eine elektromagnetische Falle. Sie können sich das so vorstellen wie eine Murmel in einer Schüssel.
Eine Situation, die wir realisieren können, ist die, in der wir… für verschiedene interne Zustände des Beryllium-Ions,
die wir mit diesen Bezeichnungen versehen können.
Sie haben magnetische Momente; wir können also von einem Spin sprechen.
Und so können wir in Verbindung damit zu einem bestimmten Zeitpunkt sagen,
wo diese atomare Murmel… sie kann, sagen wir, auf der linken Seite der Schüssel sein, korreliert damit,
dass sich der interne Zustand in einer Position befindet, und gleichzeitig kann sie auf der rechten Seite der Schüssel sein,
korreliert mit einem anderen internen Zustand.
Diese Situationen können wir also tatsächlich realisieren.
Man muss sagen, dass das natürlich nicht sehr… nicht wirklich makroskopisch ist.
In der Tat ist es sehr klein.
In diesen Experimenten beschreibt die Wellenpaketgröße die Position des Beryllium-Atoms
in der Größenordnung von sieben Nanometern.
Und die Einzelteile der Wellenfunktion waren nur um etwa zehnmal die Größe des Wellenpakets voneinander getrennt.
Man könnte sagen: Das ist nicht wirklich Schrödingers Katze. Es ist einfach zu klein.
Doch das ist einer der interessanten Aspekte der Quantenmechanik:
Wenn man sagt, das ist zu klein, um im klassischen Sinn makroskopisch genannt zu werden, wo zieht man die Trennlinie?
Damit haben wir immer noch zu kämpfen.
Zum jetzigen Zeitpunkt gibt es keine Möglichkeit, diese Grenze zwischen klassisch und Quantenmechanik zu finden.
Auch wenn das also sehr klein ist, würden wir sagen,
es hat sehr ähnliche Eigenschaften wie Schrödingers Katze, analoge Eigenschaften.
Darauf werde ich gleich zurückkommen.
Wie in der Zusammenfassung erwähnt, könnten sich einige Anwendungen dieser Vorstellungen von Überlagerung in Uhren befinden.
Und ich werde ein paar Worte über Quantencomputer verlieren.
Was die Anwendung in Uhren betrifft, können Sie sich das so vorstellen:
Wenn wir zum Beispiel einen elektrischen Dipolübergang in einem Atom haben und das Atom in einen Überlagerungszustand versetzen
– das wäre ein Grundzustand S und ein angeregtes Orbital P – dann erhalten wir eine Wellenfunktion,
die wir so wie hier dargestellt aufschreiben können.
Was hier beschrieben wird, ist ein oszillierender Dipol.
Was ich hier geschrieben bzw. in dieser Darstellung gezeigt habe, ist ein Diagramm der Elektronendichte im Vergleich zur Zeit;
sie oszilliert hin und her. Das ähnelt stark einer Pendeluhr.
Und diese Eigenschaft können wir tatsächlich zur Herstellung einer Uhr nutzen, worüber ich jetzt ein paar Dinge sagen möchte.
Die praktische Arbeitsweise bei der Herstellung einer Atomuhr sieht so aus,
dass wir in diesem Beispiel hier das Atom im Grundzustand S beginnen lassen würden.
Danach würden wir in einer bestimmten Frequenz Strahlung anwenden.
Sagen wir, es wäre ein Laserübergang, was dieser Übergangsfrequenz hier sehr nahe käme.
Und dann, nach dem Einsatz der Strahlung, würden wir messen.
Wir würden die Wahrscheinlichkeit messen, mit der das Atom aus diesem Grundzustand in diesen angeregten Zustand übergegangen ist.
Das kommt dem, was wir in der Praxis tun, sehr nahe.
Wir halten uns an dieses Protokoll.
Wenn die Laserfrequenz in diesem Beispiel der durch die Energiedifferenz dividiert
durch Plancks Konstante vorgegeben Übergangsfrequenz entspricht, dann wissen wir,
wenn diese Übergangswahrscheinlichkeit am größten ist,
dass sich die Laserfrequenz mit der natürlichen Frequenz des Atoms im Gleichlauf befindet.
Ich komme zurück auf… ich bleibe noch beim Thema Überlagerung.
Bevor wir die Messung vornehmen,
befindet sich das Atom im Allgemeinen in einem Übergang von seinem Grundzustand in den angeregten Zustand.
Doch warum Atomuhren?
Hierfür gibt es ein paar einfache Gründe, die sie davon überzeugen werden, warum das interessant ist.
Im Grunde sind alle Atome bestimmte Ionen… Aluminium-Ionen oder Beryllium-Ionen, Magnesium-Ionen,
alle diese bestimmten Arten sind genau identisch.
Wenn wir uns also zur Herstellung einer Uhr auf einen Übergang einigen können,
müsste im Grunde jede Uhr unabhängig von einem Vergleich im selben Tempo laufen.
Natürlich gibt es im Experiment immer Schwierigkeiten… Umwelteinflüsse, die wir herauskalibrieren müssen.
Das ist die echte Herausforderung.
Und noch etwas: Im Gegensatz zu Pendeluhren nutzen sich Atome nicht ab.
Sie können immer und immer wieder verwendet werden, ohne dass ihre Eigenschaften darunter leiden würden.
Derzeit beschäftigen wir uns mit der Nutzung optischer Übergänge.
Ein Beispiel hierfür ist Aluminium mit einer Übergangsfrequenz von etwa 10^15Hz.
Der Grund dafür, warum die hohe Frequenz interessant ist, liegt in Folgendem:
Mit der höheren Tickrate kann man jedes Zeitintervall in immer kleineren Stufen definieren.
Auf diese Weise erhält man eine höhere Zeitauflösung.
Interessant ist auch, dass bei einigen Übergängen, etwa dem von Aluminium,
die Lebenszeit des angeregten Zustand etwa 20 Sekunden beträgt.
Und wir erhalten Auflösungen bis zu etwa 1/10 Hz, was sehr präzise den Zustand beschreibt,
in dem der Laser… die Laserfrequenz an die atomare Übergangsfrequenz angepasst wird.
Ich gebe Ihnen noch ein Beispiel.
In unserem Labor haben wir damit begonnen, an Quecksilber-Ionen zu arbeiten.
Hier haben wir einen ähnlichen Übergang, der als Uhr genutzt werden könnte.
Die Art und Weise, wie wir diese Übergänge entdecken, ist ziemlich einfach.
Wir finden einen anderen Übergang in dem Atom.
In diesem Fall ist es einer, der… wir können eine Menge Photonen streuen.
Und die Grundidee ist: Wenn wir uns nach dem Einsatz der Uhrenstrahlung außerhalb der Resonanz befinden
und das Atom im Grundzustand verbleibt, dann sehen wir Fluoreszenz.
Wenn wir es dagegen in den angeregten Zustand versetzt haben, gibt es für die Laserphotonen keinen Zustand,
von dem aus sie streuen könnten.
Das ist sehr schön, denn selbst mit einem einzelnen Atom können wir, wenn es dunkel ist, ganz einfach feststellen,
wann das Atom einen Übergang vollzogen hat.
Sehen wir keine Fluoreszenz, bedeutet das in diesem Fall, dass es in den angeregten Zustand D übergegangen ist.
Wenn wir Fluoreszenz sehen, bedeutet das, dass es keinen Übergang vollzogen hat.
Und wie ich schon sagte, können wir das in der Uhr als Referenz verwenden.
Ein Beispiel aus unserem Labor: Jim Bergquist, der... wir starteten dieses Projekt im Jahr 1981.
Und wir arbeiten immer noch daran.
Auf ein paar Vorteile der Verwendung von Ionen bin ich noch gar nicht zu sprechen gekommen.
Doch wir… zunächst einmal: Allein die Tatsache, dass wir die Ionen an einem Ort festhalten, führt dazu,
dass die Durchschnittsgeschwindigkeit gegen null geht.
Ein Messeffekt, über den wir uns Gedanken machen müssen,
ist der sogenannte Dopplereffekt erster Ordnung, der gewöhnliche, allseits bekannte Dopplereffekt.
Und da die Durchschnittsgeschwindigkeit null ist, tendiert er ebenfalls gegen null.
Die Technik der Laserkühlung habe ich auch noch nicht dargestellt – zahlreiche Atomphysikexperimente,
bei denen wir den Strahlungsdruck von Lasern zur Senkung der Ionentemperatur verwenden.
Das ist deshalb wichtig,
weil die Zeit aufgrund der Konsequenzen aus Einsteins Relativitätstheorie für bewegte Objekte langsamer vergeht.
In jedem uns vertrauten Maßstab hat das nur geringfügige Auswirkungen.
Doch die Präzision ist mittlerweile dermaßen hoch, dass wir uns über diesen Effekt tatsächlich Gedanken machen müssen.
Mittels Laserkühlung können wir diese zeitliche Beziehung unterdrücken.
Es gibt noch viele andere Dinge, die wir berücksichtigen müssen, aber darauf werde ich jetzt nicht eingehen.
Jedenfalls aber ist um 2006 herum das Resultat dieser Arbeit, der Standard, der die Sekunde definiert,
ein extrem feiner Übergang in Cäsium.
Und natürlich wurde es im Lauf der Jahre immer besser; unser Ziel war nicht festgelegt.
Zu jener Zeit erreichten wir schließlich eine systematische Unsicherheit von ungefähr sieben in 10^17 Teilen,
was besser war als der existierende Cäsium-Standard.
Heutzutage geht es in den meisten Laboren, die sich mit Standards befassen, um die optischen Übergänge,
mit denen man eine sehr hohe Präzision und Genauigkeit erreichen kann.
Wie gesagt, das ist ein Beispiel aus unserem Labor.
Es gibt andere Ionen, über die man sich den Kopf zerbricht.
Dieser Beitrag hier fasst diese Arbeit zusammen.
Gleichzeitig gibt es natürlich viele Experimente, bei denen neutrale Atome verwendet werden, eingefangene neutrale Atome.
Es gibt also eine enorme Anzahl von Laboren auf der ganzen Welt, die an diesen Atomuhren arbeiten
– basierend auf Atomen oder in diesem Fall auf atomaren Ionen.
Lassen Sie mich etwas zur Idee der Quantencomputer sagen.
Die Grundlage… ist auch hier die Überlagerung.
Im Gegensatz zum klassischen Bit, das in dem einen Zustand oder in dem anderen existieren kann,
spielen wir mit der Idee, dass in diesem Fall ein Quantenbit… wir ändern hier die Bezeichnungen;
das könnten Energiestufen in einem Atom sein,
die wir… in einem gewissen Sinn kann es sich gleichzeitig im Zustand 0 und im Zustand 1 befinden,
also beide Informationen gleichzeitig.
Wo könnte das interessant sein - stellen Sie sich die Skalierung vor.
Nehmen wir zum Beispiel 3 Qubits in einem klassischen Register, das eine Zahl aufnehmen könnte.
Doch mit Überlagerung können wir alle acht Zahlen für diese 3 Qubits – Quantenbits – gleichzeitig aufnehmen.
Das macht 2^3.
Und natürlich ist die Skalierung, wie Sie sehen, exponentiell.
Ein interessantes Beispiel: Wenn wir 300 Bits haben, speichert ein klassischer Computer damit eine Textzeile.
Doch mit der Überlagerung speichert er 2^300 oder etwa 10^90 Dezimalzahlen gleichzeitig.
Wenn wir einen Speicher, einen klassischen Speicher für derart viele Daten herstellen müssten,
bräuchten wir dafür mehr Materie als im Universum vorhanden ist.
Das klingt doch ziemlich gut.
Noch etwas kommt hinzu: Wenn wir einen Überlagerungszustand erzeugen,
werden die Operationen, die wir durchführen, an all diesen Zahlen gleichzeitig ausgeführt.
Das klingt nach einer gigantischen Parallelverarbeitung.
Auch das hört sich ziemlich gut an.
Der Witz an der Sache ist… kommen wir zurück zu dem Beispiel von der Kiste und den verschiedenen Blickwinkeln.
Wenn wir ein Quantensystem messen… zum Beispiel, wenn wir die Überlagerung von 3 Bits messen.
Wenn wir das System messen, kollabiert es zu nur einer dieser Konfigurationen.
Was wir also entwickeln müssen... hilfreich ist ein Algorithmus,
bei dem wir die meisten dieser Koeffizienten vor Durchführung der Messung und nach dem Rechenvorgang erzeugen.
Wir wollen den Zustand wenigstens zu einer sehr kleinen Zahl von Möglichkeiten kollabieren lassen.
Ein Beispiel, bei dem das möglich sein könnte, ist der Shor-Algorithmus.
Ich erzähle Ihnen jetzt nicht die ganze Historie,
obwohl es eine Menge interessanter Geschichten hinter dieser Idee des Quantencomputing gibt.
Doch der eigentliche Auslöser war ein Algorithmus zur Faktorisierung großer Zahlen, den Peter Shor vorstellte.
Wichtig ist das deshalb, weil es Auswirkungen auf die Verschlüsselung hat.
Sie können sich also denken, dass alle Regierungsbehörden daran interessiert sind.
Um Ihnen eine Vorstellung von all dem zu geben, ziehen wir einen Vergleich mit dem klassischen Computer.
Auch wenn das vielleicht nicht die effizienteste Art und Weise ist,
könnte man grundsätzlich einen universellen klassischen Computer konstruieren, der aus nur zwei Gates besteht.
Es gibt noch andere Kombinationen, aber das wären dann schon 2 Beispiele.
Für die Quantenwelt gilt das genauso, nur dass wir zwei Arbeitsgänge statt eines einzelnen Bit-Flips benötigen.
Wir brauchen etwas Allgemeineres.
An die Chemiker unter uns gerichtet: Denken Sie an NMR; damit sind Sie in der Lage,
die Spins um verschiedene Winkel zu drehen.
Das ist die Art von Operation, von der wir hier reden.
Wir brauchen außerdem eine Art von nicht-trivialem Logikgatter.
In diesem Fall, wenn wir mit Eigenzuständen des Systems agieren…
natürlich könnten wir das auf klassische Weise mit einem klassischen Elektronik-Chip reproduzieren.
Aber denken Sie daran: In diesem Fall stellen wir uns vor, dass mit Überlagerungen gearbeitet wird.
Peter Shors Algorithmus spielt also eine große Rolle.
Er ist sehr interessant, aber es dauert lange, ihn zu beschreiben.
Die grundlegende Voraussetzung jedoch, die Art und Weise, wie er umgesetzt werden könnte, besteht darin,
dass man über ein Eingangsregister verfügt.
Man beginnt mit der Überlagerung aller möglichen Zahlen bis zu der Zahl, die man faktorisieren möchte.
Und dann führt man eine Abfolge der Drehungen in diesen zwei kubischen Gates durch;
jedenfalls ist das eine Form, wie man rechnen könnte.
Am Ende hat man dann hier eine Art von Überlagerung.
Wie soll man sich das vorstellen… es ist so etwas wie ein kompliziertes Interferenz-Experiment,
bei dem alle möglichen Zustände, die die Atome annehmen können, in der Weise miteinander in Wechselwirkung treten,
dass man am Ende eine endliche Zahl von Zuständen hat, die nicht viel kleiner ist als 2^N.
Das ist immer noch eine sehr große Zahl von Zuständen, doch der Zustand, den man misst,
könnte in einem klassischen Algorithmus zur Extrahierung des Faktors einer Zahl verwendet werden.
Das ist also die Grundidee.
Schon um eine 150-stellige Dezimalzahl zu faktorisieren,
was für die Verschlüsselungsleute heutzutage wahrscheinlich nicht interessant ist,
muss man mindestens so weit kommen.
Doch das würde eine enorme Menge von Arbeitsgängen und Zehntausende von Qubits erfordern.
Davon sind wir derzeit noch weit entfernt.
Aber eines lässt sich dazu sagen… kommen wir noch einmal auf Schrödingers Katze zurück.
Zu einem zwischen diesen Arbeitsvorgängen liegenden Zeitpunkt könnte man nur das “i”-Bit herausgreifen lassen.
Und das sieht in diesem Fall Schrödingers Katze sehr ähnlich,
denn die gesamte Kollektion der anderen Bits befände in wesentlich anderen Zuständen, ganz so wie Schrödingers Katze.
Deshalb sprechen wir davon, dass wir Schrödingers Katze großziehen.
Das ist unser Ziel.
Im Umfeld atomarer Ionen wurde die Idee, wie ein solches Gerät hergestellt werden könnte,
von Peter Zoller und Ignacio Cirac, zwei auf dem Gebiet der Quantenoptik sehr bekannten Theoretikern, vorgebracht.
Ihr Gedanke war: Wir haben eine Elektrodenstruktur, und wir können die Dinge so arrangieren,
dass die Ionen eine lineare Anordnung bilden.
Die Grundidee lautet: Das ist ein dreidimensionaler harmonischer Oszillator,
und die Coulombsche Abstoßung hält alles in einer regelmäßigen Anordnung auseinander.
Und man kann… weiter kann ich mich den Chemikern hier nicht annähern… es ist wie ein Pseudomolekül, das wir manipulieren können.
Es erweist sich, dass wir Laserkühltechniken verwenden können, wir können die Bewegung einfrieren.
Wir können alle Vibrationszustände dieses Pseudomoleküls in den Grundzustand versetzen.
Ihre Idee war nun, dass wir… im Allgemeinen werden die Qubits auf internen Zuständen in jedem der Ionen basieren.
Für den schwierigen Teil verfielen sie auf den Gedanken, zwischen zwei Ionen ein Gatter herzustellen.
Ihre Vorstellung war: Wenn wir einen Laserstrahl auf dieses Ion hier richten, können wir eine Kartierung vornehmen.
Wir kartieren den internen Zustand dieses Ions auf den Grundzustand
und den ersten angeregten Bewegungszustand dieses Pseudomoleküls.
Das Spiel, das wir hier spielen, beruht darauf,
dass die gesamte Bewegung eines jeden bestimmten Zustands im Allgemeinen mit allen Ionen geteilt wird,
so dass alle Ionen diesen Bewegungszustand wahrnehmen.
Und wenn wir jetzt irgendwie ein Gatter zwischen dem Bewegungszustand
und, sagen wir, diesem Ion hier errichten können, dann haben wir praktisch ein Gatter zwischen zwei Ionen hergestellt.
Ich will Ihnen eine Vorstellung davon geben, wie das funktioniert.
Der erste Schritt: Kartierung des internen Zustands auf den Bewegungszustand.
Wenn wir die internen Zustände des Ions kennen
und sie mit harmonischen… bzw. der mit diesem Vibrationszustand verbundenen Zustandsleiter ausstatten.... wie gesagt,
versetzen wir die Ionen idealerweise in den Bewegungsgrundzustand.
Und wenn wir jetzt einen Laser so lange einschalten, wie er benötigt,
um diese Komponente der Wellenfunktion auf diese Ebene hier zu kartieren,
dann haben wir im Grunde die Kartierung vom internen Zustand auf den Bewegungszustand durchgeführt.
Dahinter steht folgende Idee:
Wenn wir zwischen dem Bewegungszustand und dem internen Zustand des zweiten ausgewählten Qubits ein Logikgatter errichten können…
die Idee dabei ist... das ist ein bisschen simpel, aber die Grundidee wird deutlich.
Nennen wir den Bewegungszustand das Kontrollbit.
Das Zielbit ist der interne Zustand des zweiten Ions.
Wenn wir in diesem Beispiel… im Allgemeinen hat das zweite Ion, das wir ausgewählt haben…
es nimmt die Überlagerung wahr, die Bewegung und die internen Zustände.
Die Vorstellung ist also: Wenn sich das Kontrollbit, also der Bewegungszustand, im ersten angeregten Zustand befindet,
dann können wir diesen Übergang anstoßen, was bedeutet, dass wir das Bit des internen Zustands invertieren.
Wenn es sich andererseits hier im niedrigsten Zustand befindet, gibt es hier keine höhere Ebene, auf die es gelangen könnte.
Das folgt aus dieser Logik.
Hier wird allerdings ein bisschen geschummelt.
Das hier funktioniert nicht exakt.
Sie wissen, es ist nicht universell.
Aber es vermittelt die Vorstellung, dass selektive Dynamiken dieses Logikgatter konstruieren können.
Jedenfalls konnten wir in unserer Gruppe diese Grundidee von Cirac und Zoller umsetzen.
Das ist Chris Monroe, der von 1992 bis 2000 zu unserer Gruppe gehörte.
Wir konnten dieses Logikgatter, über das sie gesprochen haben, herstellen.
Das hier gibt Ihnen eine Vorstellung von den Gruppen auf der ganzen Welt,
die atomare Ionen für das Spiel mit diesen Ideen der Quanten-Informationsverarbeitung verwenden.
Nach meiner Zählung sind es mittlerweile 35.
Wir haben es also mit einer gewaltigen Aktivität zu tun.
Nur, um Ihnen eine Vorstellung davon zu geben, wohin die Experimente führen
– hier ist diese idealisierte Struktur, die ich vorhin als Cartoon gezeigt habe.
Es zeigt sich, dass wir diese Geräte gerne klein machen würden, unter sonst unveränderten Bedingungen.
Die Gattergeschwindigkeiten entsprechen den Bewegungsfrequenzen und diesen Ausmaßen, 1:Dimension^2
Im letzten Jahrzehnt haben wir darüber nachgedacht, wie wir die Dinge schrumpfen lassen könnten.
Eine Möglichkeit besteht darin, lithographische Techniken zur Nachbildung von Elektroden zu verwenden.
In diesem Fall handelte es sich um Tonelektroden, die wir mit Schlitzen versahen.
Und wenn wir diese Elektroden hier übereinander legen, können Sie sich vorstellen,
wie wir ein Gebilde, ein kleines Gebilde wie dieses herstellen würden.
Das sind jetzt reale Bilder; in diesem Fall gibt es mehrere Regionen, in denen sich das Ion befinden könnte.
Aber es gibt Ihnen eine Vorstellung von den Dingen, mit denen wir zu tun haben.
Dieses Bild zeigt sechs Ionen, die sich in der dort angegebenen Zone befinden.
Heutzutage gehen wir sogar noch weiter:
Mit bewährten mikroelektronischen Techniken können wir Elektroden in einer Oberfläche nachbilden;
dann werden die Atome über der Oberfläche aufgehängt.
Und jedes... in diesem Beispiel ist jedes dieser winzigen Quadrate eine Zone,
in der wir die Ionen festhalten können.
Das ist die Idee, wie wir vielleicht größer werden könnten.
Um Ihnen eine Vorstellung zu geben: Diese Chips, diese Multizonen-Chips,
in denen wir die Ionen speichern konnten, gaben wir in ein Vakuumsystem.
Ich glaube, all diese Labore, vor allem der Fachrichtung Atomphysik, wurden von Lasern buchstäblich aufgezehrt.
All die Studenten und Doktoranden – hier verbringen sie ihr Dasein.
Und natürlich belegt der Computer nur einen winzigen Platz in einer Ecke des Raumes.
Ich glaube, ich habe die Idee der Faktorisierung schon erwähnt.
Sie war tatsächlich wichtig, um dem Fachgebiet Impulse zu verleihen.
Ein Aspekt, der uns Hoffnung macht, stammt von Richard Feynman,
der sich schon früher über einige Ideen Gedanken gemacht hat.
Sie wissen schon: welche Bedeutung der Quantencomputer haben könnte.
Seine Idee war, ein Quantensystem dazu zu veranlassen, ein anderes zu imitieren.
Ich habe keine Zeit mehr… daran wird viel gearbeitet.
Ich möchte nur… ich möchte zwei Personen aus unserem Labor, die an diesen Ideen arbeiten, besonders hervorheben.
Rainer Blatt, unser Gastgeber.
Seine Gruppe hat die niedrigste Fehlerquote, und sie haben auf diesem Gebiet der Quantensimulation am meisten geleistet.
Und obwohl die Simulationen, die wir durchführen können – das Ion geht über ein Loch –,
sind nicht wirklich… wir können die Simulationen auch auf einem klassischen Computer durchführen.
Wir hoffen, dass wir im nächsten Jahrzehnt auf einem Quantensimulator ein Problem lösen können,
das wir auf einem klassischen Computer noch nicht lösen konnten.
Hier noch ein sehr, sehr unbedeutendes Beispiel dafür, woran gearbeitet wird.
Es gibt noch viele andere Gruppen.
Ich möchte mich bei meinen Kollegen am NIST bedanken; es war eine Ehre, mit den Menschen dort arbeiten zu dürfen.
Jetzt sind ein paar Jüngere nachgekommen.
Doch Jim Bergquist, Bob Drullinger, Wayne Itano und ich selbst, wir waren im Grunde unser ganzes Berufsleben zusammen.
Und ein paar gute Junge rücken jetzt nach.
Das gibt Ihnen eine Vorstellung davon, wie groß unsere Gruppe heute ist.
Ich kann leider nicht jeden angemessen würdigen.
Eines möchte ich noch sagen: Es war mir ein Vergnügen, den Preis im letzten Jahr mit Serge Haroche zu teilen.
Er war... nun, ich kenne seine Arbeit seit 35 Jahren.
Vor 25 Jahren haben wir uns persönlich kennengelernt, und auch unsere Frauen haben sich angefreundet.
Es war wirklich eine große Freude, den Preis mit ihm zu teilen.
Und jetzt wird er Ihnen jetzt etwas über seine Arbeit erzählen.
Vielen Dank.
Beifall.