QuantenphysikPans Traum

Der chinesische Physiker Pan Jianwei will die Kommunikation und den Computer neu erfinden, mit Quantenmechanik. Deutsches Wurstbrot hilft ihm dabei. von 

Pan Jianwei Quantenphysik China Wissenschaft

Pan Jianwei forscht in Wien und Heidelberg. Heute arbeitet der Quantenphysiker an der Universität Hefei in China  |  © Stefanie Schramm

Mit einem riesigen Messer hackte Pan Jianwei das Universum in winzig kleine Stücke. »Es fühlte sich ziemlich gut an«, erzählt der Physiker. »Ich war gerade dabei, die Weltformel zu finden.« Dann wachte er auf.

Im wirklichen Leben beschäftigt sich Pan weniger mit dem großen Ganzen als mit den kleinen Schnipseln. Physiker nennen diese Schnipsel Quanten: die kleinsten Portionen, in die sich eine physikalische Größe teilen lässt. An der University of Science and Technology of China (USTC) in Hefei versucht Pan, mit diesen winzigen Quanten große Aufgaben zu bewältigen – superschnelles Rechnen und absolut sichere Kommunikation. Zusammen mit seinen Kollegen hat er in den vergangenen acht Jahren 60 Artikel in internationalen Spitzenzeitschriften veröffentlicht. Damit hat er Hefei auf die Weltkarte der Quantenphysik gesetzt.

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Die Hauptstadt der Provinz Anhui, drei Zugstunden von Shanghai entfernt, ist eine typische chinesische Stadt aus der zweiten Reihe: fast fünf Millionen Einwohner, grau, gesichtslos und ein wenig schmuddelig. Doch in der Wissenschaft spielt Hefei in Chinas erster Liga. Drei nationale Forschungszentren befinden sich hier, mehr gibt es nur in Peking .

Pan Jianwei

Pan Jianwei ist einer von Chinas profiliertesten Physikern. Sein Labor an der University of Science and Technology in Hefei gehört zur Weltspitze in der Quantenphysik. Pan promovierte bei dem führenden Quantenforscher Anton Zeilinger in Wien, danach arbeitete er fünf Jahre lang in Heidelberg. 2008 kehrte er in seine Heimat zurück – die chinesische Regierung hatte ihn mit zehn Millionen Euro Forschungsgeldern gelockt. Der Physiker arbeitet an einer abhörsicheren Verschlüsselung. Pan Jianwei hat das erste Quantenkryptografie-Netz fürs Telefon entwickelt, es bestand aus drei Knotenpunkten. Außerdem will er einen Quantencomputer bauen. In seiner Freizeit erfindet er Märchen für seine Kinder. Etwas mehr Fantasie könne auch der Wissenschaft in China nicht schaden, meint er.

Pan hat in Hefei studiert, 1996 ging er nach Innsbruck und später nach Wien , um bei dem renommierten Quantenphysiker Anton Zeilinger, der seit Jahren als Nobelpreiskandidat gehandelt wird, zu promovieren. Dann wechselte Pan nach Deutschland und baute an der Universität Heidelberg eine eigene Arbeitsgruppe auf. Gleichzeitig hatte er eine Professur an der USTC, pendelte zwischen Heidelberg und Hefei.

Seit 2008 lebt er wieder in China. »Ich liebe die Wissenschaft, aber ich liebe auch mein Heimatland«, sagt Pan. »Sobald ich sicher war, dass ich hier gute Wissenschaft machen kann, bin ich zurückgekommen.« Für diese Sicherheit hat auch der chinesische Staat gesorgt – mit knapp zehn Millionen Euro Forschungsgeldern.

»Da konnten wir einfach nicht mithalten«, sagt Dirk Dubbers, Direktor des Physikalischen Instituts der Heidelberger Universität . »Wir hätten Pan gern gehalten, der veröffentlicht ja fast jeden Monat einen Knüller.« Als besonders zielstrebig habe er den Quantenphysiker kennengelernt. »Der hat nicht nach links und nicht nach rechts geguckt.« Dubbers sagt das anerkennend.

»Er kann sehr gut unterscheiden, was zum Ziel führt und was nicht«, meint auch Časlav Brukner, der mit Pan zusammen promoviert hat. »Und er sieht Wege, die andere nicht sehen.« Was nicht zum Ziel führe, lasse Pan einfach weg. So habe er nie Deutsch gelernt, obwohl er zwölf Jahre lang in einem deutschsprachigen Umfeld gelebt hat, erzählt Brukner. Und er könne sich an kein einziges Feierabendbier mit dem Kollegen erinnern.

Quantenkryptografie

Sie sind das Traumpaar der Kryptografie, der Verschlüsselungskunde: Alice und Bob (für »A« und »B«) tauchten 1978 zum ersten Mal in einem Fachaufsatz auf und wurden schnell zum Synonym für »Absender und Empfänger einer Botschaft«.

Quantentheorie

Auch Kryptografie mittels Quantentheorie lässt sich gut anhand von Alice und Bob erklären. Das Urverfahren haben Charles Bennett und Gilles Brassard 1984 entwickelt (»BB84«, siehe Grafik). Inzwischen gibt es mehrere Methoden, manche arbeiten mit verschränkten Photonen, wie im Quantentelefon des Physikers Pan Jianwei. Das ist zwar etwas komplizierter, funktioniert aber im Prinzip genauso wie BB84.

Code

Die Schwachstelle jedes Codes ist der Schlüssel, mit dem er erstellt wurde. Geheimniskrämer mögen die Quantenkryptografie, weil hier niemand den Schlüssel ausspionieren kann, ohne sich dabei zu verraten. Voraussetzung ist eine direkte optische Verbindung zwischen A und B (etwa per Glasfaserkabel). Durch die schickt Alice Lichtteilchen. Falls ein Dritter die Polarisation der Photonen mit einem Filter misst, kommen diese bei Bob anders polarisiert an.

Stichprobe

Das aber können Alice und Bob herausfinden, indem sie eine Stichprobe aus ihrem Schlüssel vergleichen. Enthält diese Fehler, dann werden sie wohl belauscht – und erzeugen einfach einen neuen Schlüssel. Wenn sie sicher sind, dass niemand ihren Schlüssel ausgespäht hat, können sie ihre codierten Nachrichten auf gewöhnliche Weise austauschen.

Praxis

Mittlerweile haben Forscher die Quantenkryptografie praktisch ausprobiert: 2004 schickte ein Team um Anton Zeilinger eine Banküberweisung quantenverschlüsselt aus dem Wiener Rathaus zur Austria Creditanstalt; das Glasfaserkabel dafür hatten die Wissenschaftler über 1500 Meter durch die Kanalisation Wiens verlegt. Und 2007 wurden bei den Schweizer Parlamentswahlen Ergebnisse aus dem Kanton Genf per Quantenschlüssel gesichert nach Bern übertragen.

Pan ist nun ein hai gui. Das heißt Rückkehrer auf Chinesisch, klingt aber auch so ähnlich wie das Wort für »Seeschildkröte«. Wie die Tiere zum Eierlegen an ihren Geburtsort zurückkehren, so sollen nach dem Willen der Pekinger Regierung gut ausgebildete Experten in die Heimat zurückkommen. Mit speziellen Programmen lockt der Staat die Fachleute heim, dabei ist er zunehmend erfolgreich.

Pan weiß ziemlich genau, was er in Hefei jetzt schon geschafft hat. Auf den ersten Blick wirkt er in seinem grauen Strickpulli mit den zu langen Ärmeln, in denen seine Hände halb verschwinden, wie der Prototyp des zurückgezogenen Physikers. Er spricht sachlich und unaufgeregt. Übertrieben bescheiden ist er aber nicht.

Leserkommentare
  1. "...1996 ging er nach Innsbruck und später nach Wien, um bei dem renommierten Quantenphysiker Anton Zeilinger, der seit Jahren als Nobelpreiskandidat gehandelt wird, zu promovieren. Dann wechselte Pan nach Deutschland..."

    Da haben wir ja ganz wunderprächtig die Konkurrenz herangezogen.

    Reaktionen auf diesen Kommentar anzeigen

    Sondern auch einen Mann, dessen Schüler lieber kritisch diksutieren, statt nur zu pauken und der einige Jahre in einem Land gewohnt hat, indem man nicht für ein falschen Wort im falschen Blog für jahre ins Gefängnis geworfen wird.

    Ich teile Ihre Bedenken - aber die Sache hat zwei Seiten.

    • ddkddk
    • 14. Februar 2010 11:45 Uhr

    sondern als gemeinsame Aufgabe der Menschheit zu sehen.

    Nur bei globaler, grenzüberschreitender Forschung mit gegenseitigem Wissenschaftstransfer sind hier die größten Fortschritte zu erzielen.

    Es macht ja wirklich keinen Sinn, dass jedes Land für sich allein versucht, das Rad neu zu erfinden. Kleingeister sind hier fehl am Platz.

  2. Sondern auch einen Mann, dessen Schüler lieber kritisch diksutieren, statt nur zu pauken und der einige Jahre in einem Land gewohnt hat, indem man nicht für ein falschen Wort im falschen Blog für jahre ins Gefängnis geworfen wird.

    Ich teile Ihre Bedenken - aber die Sache hat zwei Seiten.

    Antwort auf "Hmmm...."
    • ddkddk
    • 14. Februar 2010 11:45 Uhr

    sondern als gemeinsame Aufgabe der Menschheit zu sehen.

    Nur bei globaler, grenzüberschreitender Forschung mit gegenseitigem Wissenschaftstransfer sind hier die größten Fortschritte zu erzielen.

    Es macht ja wirklich keinen Sinn, dass jedes Land für sich allein versucht, das Rad neu zu erfinden. Kleingeister sind hier fehl am Platz.

    Eine Leserempfehlung
    Antwort auf "Hmmm...."
  3. Mich interessiert eher die Sache als die Leute dahinter.
    Auch ein Qbit-Register hat eine begrenzte Länge?
    Hier geht's nur um die enorme Verarbeitungsgeschwindigkeit, oder?
    Kann man die mangelnde Registerlänge über die Geschwindigkeit ausgleichen?
    Besteht überhaupt Bedarf für so einen Computer?

    Ich weiß, den heutigen Bedarf an Computern hat man vor 50 Jahren auch bezweifelt. Aber ich behaupte mal, dass es in diesem Jahrhundert wohl keinen Quanten-PC für den Schreibtisch geben wird.
    Die Dinger werden aus physikalischen Gründen lange Zeit so komplex sein, dass man diese nur an Ausgewählten Standorten aufstellen wird(z.B. Rechenzentren).
    Was aber nicht bedeuten soll, dass unsere vernetzte Informationswelt nicht davon profitiert. Die Entwicklung ist schwer vorherzusehen.

  4. in einem Land, das zwar ein kapitalistisches System angenommen hat aber immer noch keine eigene Idee von Demokratie zulässt, in einem derartigen Gebiet zu forschen.

    Nicht, dass die Annahme des westlichen Wirtschaftssystems und die Aufgabe eines sozialistisch orientierten Systems langfristig ein Fortschritt für China wäre. Es führt ja selbt in den Erfinderländern zu schweren inneren Verwerfungen. Im Grunde erinnert es immer mehr an alte Kaiserreiche, nur sind es heutzutage nicht mehr Adlige sondern Oligarchen.

    Dabei ist nicht das Wirtschafts- und Sozialsystem das große Problem, sondern das Politische. Ein Kommunismus ist letztlich eine Diktator, so wie eine Monarchie. Das bedeutet aber auch für Forscher eine Belastung, wie im Artikel angemerkt. Wer forscht muss kritische Fragen stellen und da kein Mensch wirklich blind innerhalb einer Gesellschaft lebt, werden Missstände immer auffallen. Selbst wenn die Dikatatur sich durch Zensur zu schützen versucht.

    Das ist der Grund warum in China Forschung im Grunde nur schleppend vorankommt. Getragen von Menschen die im Ausland studiert haben. Weil sie dort, im Idealfall gelernt haben alles in Frage zu stellen, und auch darin bestärkt wurden kritische Gedanken weiterzuführen. Weil sie gesehen haben, das sie etwas bewegen können. Ohne Angst davor schweren Repressalien ausgesetzt zu sein.

    Ein Problem bei uns im Westen ist nicht die Demokratie, sondern die blinde Ausrichtung an veralteten Ideen von "freier" Wirtschaft.

  5. und ja, wir sind nicht mehr exportweltmeister und made in germany ist von gestern. der zahn der zeit nagt an tradierten vorstellungen, wie unsere welt tickt.einige scheinen das nicht begreifen zu wollen.

    es ist klar das china nicht nur billiglohn land sein und bleiben will. wir lassen da produzieren und haben lange lange zeit abgesahnt. die chinesen wären doof, wenn sich ihre arbeiter weiter für unsere produkte die knochen schinden und das land nicht davon profitieren würde.

    nein china macht sich selbstständig und emanzipiert sich. damit muss man klar kommen.

    gruß.
    fsonntag

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