Einleitung
Solange man eine Wahrheit als tief empfindet,
solange hat man sie noch nicht richtig verdaut.
Über dieses Buch
Es ist ein faszinierender Zug unseres Universums, dass es sich als berechenbar erweist und dadurch uns gleichzeitig Werkzeuge schaffen lässt, das Universum - sagen wir besser: kleine Teile davon - berechnen zu können. Unter Benutzung der mechanischen Gesetzmäßigkeiten wurden schon früh »Kalkulatoren« konstruiert, zum Beispiel von Gottfried Leibnitz, Blaise Pascal und anderen.
Manche der Naturgesetze wirkten im Verborgenen. Erst mit dem Eindringen in die Mikrowelt zeigten sie sich. Dabei wurden nicht einfach nur neue Regeln sichtbar, sondern es wurde ein ganz neues »Paradigma« der Naturbeschreibung geboten. Diese neuen Gesetzmäßigkeiten lassen sich zum Bau neuer (Quanten-)Kalkulatoren nutzen, was an sich vor dem Hintergrund früher gemachter Erfahrungen nicht so überraschend sein musste. Relevant ist, dass man unter Ausnutzung der neuen Gesetzmäßigkeiten um vieles schneller rechnen kann. Man rechnet geradezu in einer neuen Liga. Hinzu kommt, dass eine effiziente Berechnung mikrophysikalischer Prozesse erst mit den neuen Quantenkalkulatoren möglich wird. Es gilt gleichsam: »Die effiziente Berechnung von Quantenprozessen erfordert den gezielten Einsatz von Quantenprozessen«.
In diesem Sinne ist es ein Ziel dieses Buchs, sowohl die dem Quantencomputing zugrunde liegenden Prinzipien zu beschreiben als auch die darauf beruhenden innovativen Algorithmen.
Törichte Annahmen über die Leser
Das Buch ist hervorgegangen aus einer Reihe von Seminaren, die an unserer Hochschule und in Schloss Dagstuhl, zum Teil in Kooperation mit der Universität des Saarlands, durchgeführt wurden. Viel Feedback unserer Studenten ist eingegangen, und so ist das Buch vor allem für Studenten gedacht, die sich mit dem relativ neuen und sich dynamisch entwickelnden Gebiet auseinandersetzen möchten. Mit einem gewissen Basiswissen aus der linearen Algebra und Wahrscheinlichkeitstheorie wird ihnen - so unsere Hoffnung - hier eine gute Handreichung geboten. In diesem Kontext können wir uns natürlich auch vorstellen, dass auch der eine oder andere Kollege einen Blick hinein wagen möchte. Vielleicht findet er den einen oder anderen Abschnitt dabei sogar etwas »süffig«.
Ein paar subtile Hintergedanken, was weitere Kreise unserer potenziellen Leserschaft anbetrifft, hatten wir darüber hinaus. Wir nehmen hierzu eine kleine »literarische Anleihe« beim ehemaligen Forschungsminister Volker Hauff, der zur Neuerscheinung der deutschen Ausgabe des Scientific American ein Geleitwort schrieb:
»Wissenschaft, Forschung und Technologie sind heute entscheidende Einflußfaktoren unserer gesamtgesellschaftlichen Entwicklung. [.] Der Dialog zwischen Wissenschaft und Öffentlichkeit setzt die laufende Information über wissenschaftliche, technologische und ökonomische Entwicklungen, ihre Alternativen und Konsequnezen voraus: Information aller am Innovationsprozeß interessierten Unternehmen, Verbände, Wissenschaftler und natürlich der staatlichen Institutionen; Information der Bürger, weil demokratische Beteiligung davon abhängt, daß neue Entwicklungen rechtzeitig gesehen, verstanden und bewertet werden.«
Und bereits 15 Jahre vorher schrieb der seinerzeitige Forschungsminister Hans Lenz zur Gründung der Zeitschrift »Bild der Wissenschaft«:
».die Öffentlichkeit wird nur dann auf eine großzügige Förderung der Wissenschaft drängen, wenn sie sich der steigenden Bedeutung der Wissenschaft bewußt ist. «
Nun hat man durchaus den Eindruck, dass die »Öffentlichkeit sich der Bedeutung der Wissenschaft bewußt ist«, wo man hingegen Zweifel hegen mag, ist, ob »neue Entwicklungen wirklich verstanden werden«, um sie selbst angemessen bewerten zu können. Man verlässt sich auf Experten und gerät unversehens in ein Fahrwasser der - pardon - »Wahrheitsfindung per Zitatologie«.
Damit kommen wir aber zu einem systemischen Problem: Der vermittelnde Wissenschaftler hat die Zeit, sein Thema aufzubereiten, der Adressat muss sie sich in Konkurrenz zu anderen Interessen und Verpflichtungen nehmen. Dies betrifft insbesondere politische und sonstige Meinungsführer, die keine Zeit haben. Sie haben einfach nie Zeit. Sogar die jungen Leute an unseren Hochschulen, denen man noch eine gewisse Zeitsouveränität zubilligen würde, sind - das ist so schnell wohl nicht zu ändern - sehr von ihren Smartphones und YouTube absorbiert. Für die früheren Generationen der Karl-May-Leser war das Lesen gedruckter Bücher noch selbstverständlicher. Heute muss man dafür werben. Und wir denken, dass es exzellente Gründe gibt, zu einem Buch zu greifen. Wir sehen ein gutes Buch als »Haupttriebwerk« und die YouTube-Videos als »Booster«.
Wenn wir mit unseren Hintergedanken über unsere Studenten und Kollegen hinaus an Entscheider oder andere Multiplikatoren wie Fachjournalisten denken, stellt sich die ganz praktische Frage, wie man potenzielle Leser animieren kann, im Buch zu schmökern. Nicht aus unangenehmer Pflicht, sondern lustvoll.
Wie also kann man potenzielle Leser animieren, zu einem/diesem Buch zu greifen? Man sollte es zum einen bebildern, und zwar mit Grafiken, die überraschende Botschaften beinhalten. Dies haben wir in den ersten Kapiteln versucht, etwa mit dem Bild eines neugierigen Menschen, der hinter den Monitor zu blicken versucht. Einen Schuss »Zauberei« haben wir dazugegeben, zum Beispiel beim Bombentest-Experiment mittels einer »Nullmessung« vor dem Hintergrund des Doppelspaltexperiments. Dabei haben wir den Stoff in möglichst kleine Häppchen aufgeteilt mit vielen verschiedenen »Einsprungstellen«. Der Preis hierfür besteht in einer gewissen Redundanz, in Wiederholungen von zum Teil schon vorher Gesagtem. (Allerdings hat eine maßvolle Redundanz in den Lehrveranstaltungen unsere Studenten nie so wirklich gestört .)
Insofern haben wir die Hoffnung, den einen oder anderen aus den genannten Personengruppen zunächst zum Blättern und dann doch zum Lesen zu verführen.
Vor welchen speziellen Herausforderungen standen wir?
Ein Buch über »Quantencomputing« erfordert wie schon angedeutet einen Spagat zwischen Anschaulichkeit - das sind die klassischen Anforderungen einer breiteren Leserschaft - und einer Beschreibung der eigentlich unanschaulichen Prozesse in der Mikrowelt - das sind die nicht verhandelbaren Anforderungen der Natur selbst. Man ist in solchen Fällen geneigt, mit Metaphern zu arbeiten, die im Grenzfall dann eben doch eine falsche Anschaulichkeit vorspiegeln.
Geht es auch anders? In einer Rezension zu »The road to reality« von Roger Penrose lesen wir:
»Die übliche Weise moderne Physik einem größeren Auditorium zu vermitteln, sind Sachbücher, wie die von S. Hawking, P. Davis, J. Barrow oder B. Green nur um einige zu nennen, die sich wohl verdienter Weise großer Beliebtheit und Verbreitung erfreuen, leider weichen diese Darstellung - mit unter im entscheidenden Moment - in Metaphern aus, zum Beispiel wird das oft zitierte Gummituch als Gleichnis für die gekrümmte Raumzeit der Relativitätstheorie bemüht.«
Kenner dieses Buchs wissen, dass Penrose nicht in Metaphern ausweicht und dabei Stephen Hawking in dessen Ansicht, dass jede Formel in einem Buch die Anzahl der Leser halbiere, doch widerlegt. Ob das auch mit dem vorliegenden Buch gelingt, ist natürlich ein Experiment mit ungewissem Ausgang.
Wo liegen die verstandesmäßigen Knackpunkte?
In der evolutionären Auseinandersetzung mit der Natur haben wir einen Objektbegriff entwickelt und kalibriert, der sich bei kleinen Kindern innerhalb des ersten Lebensjahres konsolidiert. Die dabei gemachten Erfahrungen beziehen sich auf den Umgang mit Gegenständen, die aus vielen, vielen Elementarteilchen zusammengesetzt sind. Sie bestehen in der Regel aus oder mehr Atomen. Die Situation ist - um hier eine Metapher auf der »Metaebene« zu gebrauchen - vielleicht vergleichbar dem Blick auf einen Monitor oder Fernsehbildschirm aus der Ferne. Die Helligkeits- und Farbverteilungen der Pixels auf der Bildschirmoberfläche lässt uns reflexhaft Objekte und ihre Dynamik »sehen«. Nähert man sich dem Bildschirm, womöglich noch mit einer Lupe versehen, dann »verschwinden« die Objekte. Was bleibt, ist eine räumliche und zeitliche Verteilung von elementaren Einzelereignissen, eben das Aufleuchten einzelner Pixelpunkte. Erst in deren Aggregation und aus der Ferne betrachtet »entstehen« die Objekte.
Verlust der Anschaulichkeit
So haben wir es in der Mikrophysik, dem Geburtsort der Quantenmechanik, mit ganz andersartigen Teilchen (besser: Entitäten) zu tun, die man sich eben nicht mehr als kleine Billardbälle vorstellen sollte. Man spricht in solchen Fällen gerne davon, dass solche Objekte sowohl Wellen-als auch Teilcheneigenschaften besitzen, und nennt dies den »Welle-Teilchen-Dualismus«. Dies kann...
