Mo, 25. Jul 2016 | Bildung | Seite 20

Tüfteln und knobeln für die Forschung

Mit der App Decodoku kann man Basler Physikern spielerisch helfen, Lösungswege in der Quantenmechanik zu finden

Von Sebastian Gibis

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Basel. Vor zwei Wochen gab Google bekannt, dass es ein Experiment gestartet hat, um Websites in seinem Browser Chrome gegen Angriffe von Quantencomputern zu schützen. Google versucht damit, sich für den Ernstfall zu rüsten. Da die theoretische Leistungsfähigkeit der Quantencomputer herkömmliche PCs deutlich in den Schatten stellt, können derzeit als sicher geltende Verschlüsselungssysteme von Quantencomputern vermutlich in kurzer Zeit geknackt werden.

Ob der Ernstfall tatsächlich jemals eintreten wird, bleibt ungewiss. Momentan sind Quantencomputer noch ein Versprechen für die Zukunft. Grosse Firmen wie Google oder ­Microsoft arbeiten bereits mit Hochdruck an der Entwicklung solcher Rechner. Doch auch Schweizer Universitäten sind Pioniere auf diesem Gebiet. Zusammen mit der ETH Zürich be­­heimatet die Universität Basel den nationalen Forschungsschwerpunkt «QSIT – Quantenwissenschaften und -technologie».

Mit QSIT sollen Konzepte aus der Physik, der Chemie sowie den ­Ingenieur- und Computerwissenschaften verbunden und die Forschung der Universitäten mit der Industrie ­verknüpft werden. Das Ziel ist das gleiche wie bei Microsoft und Google: die Entwicklung von Anwendungen im Bereich der Quanteninformatik. Wie fortgeschritten die Schweizer Forschung ist, zeigen Dokumente, die der Whistleblower Edward Snowden vor zwei Jahren der Öffentlichkeit zuspielte. Aus diesen geht nicht nur hervor, dass auch die NSA an der ­Entwicklung eines ­Quantencomputers arbeitet, sondern dass sie sich dabei ein Kopf-an-Kopf-Rennen mit europäischen Forschungsprojekten wie QSIT liefert.

Quantenphysik «leicht» erklärt

Auch wenn der Basler Physiker James Wootton Teil von QSIT ist, die NSA-Dokumente bleiben für ihn lediglich eine amüsante Anekdote. Für seine tägliche Arbeit spielt die Welt der Geheimdienste keine Rolle. Der bodenständige Brite beschäftigt sich in seiner Forschung mit der Theorie der Quantenphysik, einem Thema, das für Laien nur schwer verständlich ist. «Quantenmechanik ist nichts, was wir im täglichen Leben erfahren. Unsere Sprache ist daher eigentlich nicht dafür gemacht, solche Konzepte zu erklären.» Das hindert Wootton nicht daran, immer wieder nach Bildern und Vergleichen zu suchen, die begreifbar machen sollen, was hinter Quantencomputern steckt.

Um zu verstehen, warum Quantencomputer leistungsfähiger als PCs sein werden, muss man zuerst den Unterschied zwischen Bits und Qubits kennen: Herkömmliche Computer verarbeiten Informationen mit binären Bits.Das heisst, sie zerlegen Texte, Bilder oder Programmcodes in Ketten aus ­Nullen und Einsen. Die Informationseinheiten von Quantencomputern sind deutlich komplexer, denn durch die quantenmechanische Überlagerung ist das Qubit nicht entweder null oder eins, sondern kann beide Zustände gleichzeitig annehmen. Diese Zu­stände können sich zudem gegenseitig beeinflussen. «Anders ausgedrückt: Ein Bit ist­ ­entweder oben oder unten, ein Qubit kann hingegen gleichzeitig oben, unten und irgendwo dazwischen sein», verdeutlicht Wootton.

Freiwillig der Wissenschaft helfen

Ein Qubit ist dabei deutlich fehleranfälliger und noch dazu fragiler als ein Bit. Zudem weist es einen weiteren, entscheidenden Nachteil auf: Sobald man es misst, geht die quantenmechanische Überlagerung verloren. Das Qubit muss sich bei der Messung gewissermassen zwischen null und eins entscheiden: Egal, zu was es sich entschliesst, die gespeicherte Information ist so oder so nicht mehr verwertbar. Daher müssen Qubits entschlüsselt werden, ohne «hinzusehen». Das macht es für Wootton kompliziert.

Am Departement für Physik der Universität Basel forscht er an einem Algorithmus, mit dem man Fehler in Qubits korrigieren kann, ohne Informationen zu verlieren. Dabei schlägt er einen ungewöhnlichen Weg ein: Er hofft auf die Mithilfe aller, die an der Haltestelle ihr Smartphone zücken, um sich die Zeit bis zum nächsten Bus oder Tram zu vertreiben.

Die zündende Idee kam ihm beim jährlichen QSIT-Austauschtreffen in Arosa. «Ich bilde mir ein, die beste Idee gehabt zu haben, auf die jemals jemand in Arosa gekommen ist», erklärt Wootton mit der ihm eigenen britischen Ironie. Arosa war nämlich der Ort, an dem Erwin Schrödinger 1926 seine berühmte Wellengleichung formulierte. Sie wurde zu einem Grundpfeiler der Quantentheorie und brachte ­Schrödinger sieben Jahre später den Nobelpreis ein.

Decodoku – jeder kann es spielen

Wer nun ein kompliziertes oder ödes Spiel erwartet, liegt falsch. Decodoku, wie Wootton das Spiel nannte, erinnert nicht nur dem Namen nach an Sudoku. Man muss tüfteln und knobeln, um einen neuen High­score zu erreichen. Das Spiel hat Suchtpotenzial, nicht nur für angehende Quantenphysiker. Auch wenn es anfangs leicht erscheint, kommt man im Verlaufe des Spiels an einen Punkt, an dem man wirklich nachdenken muss, um ein aufblinkendes «Game over» zu vermeiden.

Decodoku ist ein klassisches Projekt der sogenannten Citizen Science. Freiwillige helfen darin Wissenschaftlern bei ihrer Forschung. In der Schweiz ist das ein alter Hut, schliesslich sammeln die Eidgenossen bereits seit 1864 phänologische Daten für die Wissenschaft. In den letzten Jahren nahm der Trend zum Einbezug von Bürgern in die Wissenschaft Fahrt auf. Vermeintliche Laien zählten Vögel und entnahmen Wasserproben aus den Ozeanen. Mittlerweile geht es aber bei immer mehr Projekten nicht nur darum, Daten zu erheben, sondern zum Verständnis von komplexen Phänomenen beizutragen.

Bei Decodoku geht es letztlich darum, dass die Spieler Lösungswege finden, auf die Wootton selbst und dessen Computer nicht gekommen wären. «Für Computer sind die im Spiel integrierten Fragestellungen nur sehr schwer lösbar – Menschen tun sich hingegen deutlich leichter. Wir fragen uns, warum das so ist und welche Rückschlüsse man daraus ziehen kann», erklärt Wootton den wissenschaftlichen Bezug des Spiels.

Decodoku gibt es in zwei Versionen, als App für iOS und für Android. Wer tiefer in die Materie eintauchen möchte: Wootton beschreibt in seinem Blog decodoku.blogspot.ch ausführlich und verständlich den wissenschaft­lichen Hintergrund des Spiels.

Dieser Artikel entstand in der Zusammen­arbeit mit der Universität Basel.