Prof. Stefan Wolf: Quantum Information

Stefan Wolf has been a Swiss National Science Foundation (SNF) Professor for Quantum Information at the Computer Science Department of ETH Zurich since October 2005. Born in Schaffhausen, Switzerland, he received a Dipl. Math. ETH, followed by a PhD in Computer Science from ETH Zurich under the supervision of Professor Ueli Maurer. After a postdoc at McGill University, Montreal, he was Assistant Professor at University of Waterloo, Ontario, and Université de Montréal, Quebec.

His research domain lies in the fields of cryptography, information theory, and quantum information processing. In particular, he is interested in an efficient realization of provably secure cryptographic and other information-processing functionalities based on weak classical or quantum-physical primitives. An interview with Katja Abrahams.

Interview currently available in German only!

January 2008

Ihr Forschungsbereich ist Quanteninformation. Worum geht es dabei?
Gemäss einer berühmten Aussage des Physikers Ralph Landauer ist Information physikalisch. Was heisst das? Nun, jeder beobachtbare Prozess, also auch jeder Vorgang, bei dem Information verarbeitet, übertragen oder gespeichert wird, ist letztlich ein physikalischer: wollen wir ihn grundlegend verstehen, kommen wir um das Verständnis der Physik also nicht herum.

Die Quantentheorie regiert die Welt des Mikroskopischen; auf den ersten Blick setzt sie uns Limiten in der Computerentwicklung. Klar, Bauteile können ja nicht kleiner als Elementarteilchen werden! Das Ziel der Quanteninformatik ist es, den Spiess umzudrehen: Können wir die merkwürdigen Gesetze der Quantenphysik auch gewinnbringend einsetzen? Uns interessieren Aufgaben, die erst dank der Quantenphysik gelöst werden können -oder vielleicht besser, oder schneller. Ein Beispiel ist die Quantenkryptographie: Eine sonst unerreichbare Sicherheit wird möglich, wenn wir Information in einzelne Lichtteilchen verpacken. Dies beruht auf dem Prinzip, dass jede Beobachtung eines Systems dessen Zustand verändert. Das ist, als ob Sie einen Brief erhalten, und, weil einige Buchstaben falsch sind oder fehlen, wissen, dass ihn schon jemand vor ihnen gelesen haben muss.

Klingt toll... Aber ist das nicht reine Zukunftsmusik?
Nein - eher bald schon wieder kalter Kaffee. Entsprechende Versuche wurden, mit Glasfaserkabeln des Sponsors Swisscom, die unter dem Genfersee verlaufen, bereits durchgeführt. Zudem bietet ein Spinoff der Universität Genf „Plug-and-Play'“-Quantenkryptographiegeräte an. Mit etwa CHF 100'000.- sind Sie dabei; wobei ich für die Sicherheit dieser Maschinen meine Hand allerdings nicht ins Feuer legte!

Gibt es weitere Anwendungen?
Ja. Es ist wohl völliger Zufall, dass es noch eine zweite wichtige Verbindung zur Kryptographie gibt: Mit einem Quantencomputer, also einer Rechenmaschine, die Effekte der Quantenphysik auszunützen vermag, können die wichtigsten herkömmlichen Verschlüsselungsverfahren ganz einfach gebrochen werden. So ein Computer konnte bis heute aber nicht gebaut werden - trotz grosser Anstrengungen und falscher Erfolgsmeldungen.

Warum nicht?
Kennen Sie Schrödingers Katze?

Ist die nicht gleichzeitig lebendig und tot?
Genau... aber nur solange niemand hinschaut! In einem Quantencomputer müssen Bauteile in solchen „Katzenzuständen'“ zwar miteinander wechselwirken, dürfen dies aber nicht mit der Umgebung tun; eine genügende Abschirmung gegen aussen hat man indes bis heute nicht erreicht. Viele Forscher, auch an der ETH, arbeiten daran und erzielen stetig Fortschritte.

Und Ihre Gruppe?
Wir studieren zum Beispiel den „informatischen'“ Nutzen des Phänomens der Verschränkung. Verschränkt sind Systeme, die sich, obwohl vielleicht räumlich voneinander getrennt, in einem gemeinsamen Zustand befinden, der sich nicht durch die Zustände der Teile beschreiben lässt. Das merkwürdige daran ist, dass diese Teile sich so verhalten, also würden sie untereinander kommunizieren - obwohl sie das gemäss Einstein's Relativitätstheorie gar nicht können! Wir untersuchen, ob diese „Nichtlokalität'' ausgenutzt werden kann, um zum Beispiel kryptographische Sicherheit zu erreichen, und zu beweisen. Wir sind aber auch Naturwissenschaftler: Können wir die Natur und die Gesetze, die sie regieren, besser verstehen, wenn wir sie vom Standpunkt der Information betrachten?

Ihre Gruppe ist zusammen mit anderen Departementen der ETH an einem Polyprojekt zum Thema Quantenforschung beteiligt. Worum geht es dabei genau?
Das Projekt verbindet Gruppen aus vier Departementen (D-PHYS, D-CHAB, D-ITET und D-INFK), die am Thema interessiert sind und am gleichen Strang ziehen möchten. Die engste Zusammenarbeit haben wir mit der Gruppe von Professor Renato Renner von der Theoretischen Physik.

Sie haben an der ETH Mathematik studiert. Was hat Sie ans Departement Informatik und zu Ihrem interessanten Forschungsgebiet geführt?
Ueli Maurers Kryptographievorlesung. Und dann die Lust, die Mathematik, die am D-MATH manchmal etwas trocken daherkommt, zum Leben zu erwecken und anzuwenden. In Kontakt mit der Quantenwelt kam ich dann bei Besuchen in Genf und während meiner vierjährigen Tätigkeit an der Université de Montréal - im Umfeld von Gilles Brassard, dem Miterfinder der Quantenkryptographie.

Wie sehen Sie die ETH als Forschungsstandort?
Ich könnte mir keinen besseren vorstellen.

Welche Vorlesungen halten Sie dieses Semester?
Eine Einführung in die Quanteninformatik, sowie die Logikvorlesung des Bachelor-Basisjahres.

Was halten Sie persönlich für besonders wichtig in der Lehre?
Dass eine echte Kommunikation stattfindet, und zwar in zwei Richtungen. Dass das spezifische Wissen gut eingebettet und fundiert ist. (Was nützt es, wenn ich genau weiss, wie ein Resolutionsschritt funktioniert, wenn mir entging, wofür Resolution eigentlich gut ist?) Und schliesslich, dass sich niemand dabei langweilt.

Haben Sie ein Schlusswort für unsere Studierenden?
Seien Sie aktiv - Wissen und Fähigkeiten lassen sich selten passiv aneignen. Stellen Sie Fragen - Neue Erkenntnisse fussen in manchmal naiven Fragen und der Einsicht, dass man etwas noch nicht verstanden hat. Seien Sie kritisch - Denken Sie selbständig.