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Universität Basel

18. Juli 2016

Spielend auf dem Weg zum Quantencomputer

Screenshots der Decodoku-App
Decodoku - Screenshots

Quantencomputer sollen einst schnell rechnen und komplexe Aufgaben lösen. Auf dem Weg dorthin gibt es aber noch einige Hürden zu überwinden. Der Basler Physiker Dr. James Wootton sucht nach Methoden, um Informationen quantenmechanisch zu verschlüsseln und wieder dechiffrieren zu können. Helfen soll ihm dabei ein Spiel fürs Smartphone.

Deutlich komplexere Berechnungen in einem Bruchteil der Zeit: Die theoretische Leistungsfähigkeit der Quantencomputer stellt herkömmliche PCs in den Schatten. Momentan sind sie zwar erst ein Versprechen für die Zukunft, bereiten jedoch bereits jetzt Kryptographen grosses Kopfzerbrechen. Mithilfe der Quantencomputer können derzeit als sicher geltende Verschlüsselungssysteme vermutlich in kurzer Zeit geknackt werden.

Qubits statt Bits
Neue Verschlüsselungsmethoden müssen daher den Gesetzen der Quantenmechanik folgen. Im Gegensatz zu binären Bits, welche Informationen in 0-1-Ketten speichern, sind die Informationseinheiten des Quantencomputers komplexer: Durch die quantenmechanische Überlagerung ist das sogenannte Qubit nicht entweder 0 oder 1, sondern kann beide Zustände gleichzeitig annehmen. Diese Zustände können sich zudem gegenseitig beeinflussen.

Ein Qubit ist jedoch fehleranfällig und noch dazu fragil. Betrachtet man es, geht die quantenmechanische Überlagerung und damit die Information verloren. Daher müssen Qubits entschlüsselt werden ohne «hinzusehen».

Dies ist die Ausgangslage für die Forschung von Dr. James Wootton, der sich als Postdoc an der Universität Basel mit Quantentheorie beschäftigt. Wootton sucht einen Algorithmus, mit welchem 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 zu vertreiben.

Decoding + Sudoku = Decodoku
Wootton hat seine Forschung in ein Spiel übertragen: Decodoku erinnert nicht nur dem Namen nach an Sudoku. Man muss tüfteln und knobeln, um einen neuen Highscore zu erreichen. Ganz nebenbei erweist man damit der Wissenschaft einen Dienst. Denn innovative Lösungswege sollen Wootton Anhaltspunkte liefern, wie ein Algorithmus zur Quantenfehlerkorrektur konzipiert sein müsste. «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 die Idee hinter dem Spiel.

Decodoku gibt es in zwei Versionen als App für iOs und auch für Android. Zudem kann man Decodoku auch im Web spielen. Wer tiefer in die Materie eintauchen möchte: Wootton beschreibt in seinem Blog ausführlich und verständlich den wissenschaftlichen Hintergrund von Decodoku. Zudem beantwortete er, zusammen mit anderen Quantenforschern aus der Schweiz, auf Reddit Fragen zum Spiel und seiner Forschung.


Weitere Auskünfte

Dr. James Wootton, Universität Basel, Departement Physik, Tel. +41 61 267 36 94, E-Mail: james.wootton@unibas.ch

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