Das Genie beherrscht das Chaos, heißt es. Doch die genialen Elektronen-gehirne der Zukunft könnten sich im Wirrwarr der vielen Möglichkeiten, die sie gleichzeitig überprüfen, heftig verzetteln und auf wichtige Fragen mit zusammenhangslosem Unsinn ant-worten. Die große Stärke der futuristischen Quantencomputer ist einer Simulation zufolge auch eine ihrer empfindlichen Achillesfersen. Inter-agieren die Quanteninformationen zu sehr miteinander, verwischen die Grenzen zwischen ihnen, und der Prozess stürzt in ein Chaos, aus dem absolut niemand mehr schlau zu werden vermag.

Es gibt Leute, die erledigen alles brav der Reihe nach und erfüllen so Schritt für Schritt die Anforderungen ihres Alltags. Dabei können sie durchaus unheimlich flink arbeiten und selbst komplexe Probleme in kurzer Zeit lösen. Genauso funktionieren unsere heutigen Computer. Egal, ob sie nun mit 133, 500 oder noch mehr Megahertz getaktet sind: Der Prozessor tut nur eine Sache zur Zeit, und erst dann kommt die nächste dran. Auf diese Weise knabberte sich schon Pacman durch sein Labyrinth, und nach diesem Prinzip laufen in unregelmäßigen Abständen auch Dino-saurier durch die Kinos.

Für manche kniffligen Nüsse dauert diese Methode aber doch zu lange.

Wenn es nämlich ungeheuer viele Möglichkeiten gibt, die alle irgendwie verlockend erscheinen, dann geht es schneller, sie auch alle gleichzeitig auszuprobieren. Allerdings darf man tunlichst nicht den Überblick verlieren und die einzelnen Varianten wirklich durcheinander bringen. Das entspricht etwa dem Versuch, mehrere Seifenopern im Fernsehen gleichzeitig zu konsumieren und dennoch sowohl die Charaktere als auch die Handlungen korrekt zuordnen zu können. Eltern pubertierender Jugendlicher werden wissen, dass unser menschliches Gehirn dieser Aufgabe in gewissem Rahmen gewachsen ist - konventionelle Computer verfallen hingegen in zeitraubendes Nachdenken.

Als Retter in der Not handeln Wissenschaftler den Quantencomputer. Die wenigen bereits existierenden Exemplare füllen zwar noch ganze Laborräume und leisten weniger als ein billiger Taschen-rechner, doch im Prinzip sind sie beispielsweise in der Lage, raffiniert verschlüsselte Nachrichten in Windeseile zu dechiffrieren, indem sie einfach alle denkbaren Schlüssel gleichzeitig austesten.

Der Trick liegt im Detail - in den Besonderheiten der submikroskopischen Quantenwelt. Während bei herkömmlichen Rechnern eine Speicherstelle nur "1" oder "0" als Inhalt haben kann, dürfen bei Quantencomputer die Qubit genannten Informationseinheiten durchaus sowohl "1" als auch "0" zur gleichen Zeit sein.

Die beiden möglichen Zustände überlagern sich und können mit anderen Qubits verrechnet werden. Theoretisch kann ein Quantencomputer so beliebig viele verschiedene Varianten in einem einzigen Schritt verarbeiten.

Allerdings sollten zukünftige Ingenieure bei der Entwicklung der Superrechner vorsichtig sein, welche Parameter sie ansetzen, fanden Bertrand Georgeot und Dima Shepelyansky von der Université Paul Sabatier in Toulouse heraus (Physical Review E vom November 2000). Die beiden Wissenschaftler simulierten mit einem Modell, das auf einem gewöhnlichen Rechner einen Quantencomputer nachahmt, was passiert, wenn die Energien der einzelnen Qubits schwanken und es zu Wechselwirkungen zwischen ihnen kommt.

War deren Kopplung untereinander jedoch zu stark, fiel das System ins Chaos und war für interpretierbare Berechnungen nicht mehr zu gebrauchen.

Unterhalb des kritischen Wertes ist aber genug Platz für vernünftige Anwendungen, beruhigen die Forscher. Es ist wohl wie mit dem Schreibtisch: Wenn sich zu viele aufgeschlagene Bücher, handschriftliche Zettel und alte Pizzaschachteln übereinander türmen, verliert auch das Genie eines Tages den Überblick. Quantencomputer sind eben auch nur sowas wie Menschen.

Eigentlich sieht es ganz einfach aus, und mehr als einen Tisch, eine Münze und ein bisschen Geschick braucht man auch gar nicht dafür. Mathematiker oder Physiker jedoch können sich damit stundenlang beschäftigen und sich den Kopf zerbrechen. Worüber? Über Münzen drehen. Und warum diese beim Umfallen immer schneller werden, aber nicht unendlich lange weiter kreisen, sondern irgendwann plötzlich still liegen bleiben. Doch das Grübeln hat sich gelohnt: Ein britischer Wissenschaftler präsentierte nun eine mathematische Erklärung.

Mit ein wenig Fingerspitzengefühl gelingt es nahezu jedem, hochkant stehende Münzen wie einen Kreisel zu drehen. Irgendwann jedoch kippt das Geldstück langsam zur Seite. Je näher es der Tischoberfläche kommt, desto schneller dreht es sich - plötzlich jedoch stoppt es ab und liegt endgültig flach.

Die meisten Menschen werden sich über das Phänomen wohl keine großen Gedanken machen, es sei denn, sie sind Mathematiker oder Physiker.

Wenn dieses Spiel nämlich gemäß ihren Formeln ablaufen würde, müsste die Münze eigentlich immer mehr beschleunigen und sich bis in alle Ewigkeit weiter drehen. Diesen Punkt nennen Wissenschaftler eine Singularität. Dass dies nicht der Fall ist, kann jeder bestätigen. Eine Erklärung dafür präsentierte jetzt der britische Mathematiker Keith Moffatt vom Isaac Newton Institute for Mathematical Sciences in Cambridge (Nature vom 20. April 2000).

Seinen Überlegungen zufolge spielt die Luftschicht zwischen der Münze oder einer beliebigen anderen Scheibe und der Tischoberfläche die entscheidende Rolle. Wenn sich das Geldstück dreht, verliert es auf Grund des Reibungswiderstandes der Luft und der Unterlage Energie. Sobald es sich jedoch zur Seite neigt, dreht es sich nur noch auf seiner Kante. Gleichzeitig geht die potentielle in kinetische Energie über und die Scheibe rotiert immer schneller. Da Mutter Natur aber nur ungern Singularitäten zulässt, stoppt sie die Münze mit Hilfe der inneren Reibung der Luft, von Wissenschaftlern auch als Viskosität bezeichnet.

"In der letzten Phase, wenn die Scheibe über dem Tisch vibriert, wird dabei ein dünnes Luftkissen eingeschlossen. Deshalb wird viel Energie dissipiert und die Münze hält plötzlich an", erklärt Moffatt. Das sei ein Beispiel für eine Singularität mit begrenzter Lebensdauer, fügt er noch hinzu.

Das einfache Experiment mit Tisch und Münze hat noch einen großen Bruder, die Euler-Disk. Auch dieses Spielzeug - eine etwa 400 Gramm schwere verchromte Stahlscheibe, die auf einer spiegelnden Oberfläche scheinbar nie zur Ruhe kommt und sogar zu summen beginnt - hat Moffatt genauer unter die Lupe genommen. Wie er herausfand, macht es fast keinen Unterschied, mit welcher Startgeschwindigkeit und unter welchem Winkel der Spieler die Scheibe in Bewegung setzt. Sie hält etwa immer 100 Sekunden aus, bevor sie sich mit einem letzten Aufbäumen zur Ruhe legt, berichtet er. Eine Beobachtung, die seine Formel bestätigt.