Quantentechnik

Da sich Quantenphänomene auf winzigen Größenskalen abspielen, blieben sie lange verborgen. Erst zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurde entdeckt, dass sich die Welt auf den kleinsten Skalen nicht mit den Gesetzen der klassischen Physik beschreiben lässt: Die Bausteine der Materie – also Atome und deren Bestandteile –, aber beispielsweise auch Lichtteilchen, zeigten ein gänzlich anderes Verhalten, als wir es aus unserer Alltagswelt kennen. Erst die Theorie der Quantenmechanik lieferte Konzepte, um die Vorgänge in der Quantenwelt zu beschreiben.

Und diese neuen Konzepte haben längst nicht nur die Physik revolutioniert, sondern auch viele Technologien ermöglicht, die für uns heute selbstverständlich sind. So fußt beispielsweise der Transistor, der sich auf jedem Computerchip findet, auf dem Verständnis von quantenmechanischen Prozessen in Halbleitern. Und auch bei bildgebenden Verfahren wie der Magnetresonanztomografie macht man sich die besonderen Eigenschaften der kleinsten Teilchen, die den Gesetzen der Quantenphysik gehorchen, zunutze. Doch Physikerinnen und Physiker wollen noch einen Schritt weitergehen und Quanteneffekte gezielt kontrollieren und so ganz neue Anwendungen ermöglichen.

Ein Beispiel sind Quantencomputer: Als Informationsträger nutzen diese neuartigen Rechner keine klassischen Bits, sondern sogenannte Qubits. Wie die Bits in herkömmlichen Computern können auch Qubits die beiden Zustände „Null“ und „Eins“ darstellen. Dank der Gesetze der Quantenphysik können sie darüber hinaus allerdings auch in allen möglichen Überlagerungszuständen von „Null“ und „Eins“ – Superposition genannt – vorliegen. Zudem können sich die unterschiedlichen Qubits eines Quantencomputers in einem sogenannten verschränkten Quantenzustand befinden. Dadurch können Quantencomputer für bestimmte Problemklassen eine weit höhere Rechenleistung erzielen als herkömmliche Computer.

Inzwischen existieren bereits erste Quantencomputer und liefern erste Ergebnisse – etwa als sogenannte Quantensimulatoren, die komplexe Quantensysteme nachahmen, die sich mit klassischen Supercomputern nur schwer oder gar nicht simulieren lassen. Durch geschickte Manipulation des künstlichen Systems können Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler dann das Verhalten des realen Systems nachstellen und systematisch untersuchen.

Andererseits ermöglichen Quanteneffekte aber auch Verschlüsselungsverfahren, die prinzipiell unknackbar sind: die sogenannte Quantenkryptografie. Hier werden einzelne Quanten – üblicherweise Lichtteilchen – durch Glasfasern oder in der Luft mithilfe von Teleskopen übertragen und vom Empfänger gemessen. Fängt ein Spion währenddessen die Lichtquanten ab, würde er eindeutige Spuren hinterlassen. Empfänger und Sender merken dadurch sofort, dass jemand die Leitung anzapft. Das erlaubt im Prinzip eine absolut abhörsichere Kommunikation.

Auch auf dem Gebiet der Quantensensorik kommen Quanteneffekte gezielt zum Einsatz, um beispielsweise Längen oder elektrische und magnetische Felder viel präziser zu messen als mit klassischen Techniken. Mit den neuartigen Sensoren ließen sich beispielsweise die Auflösung von Radarsystemen oder die Genauigkeit von Navigationssatelliten verbessern.